【公開日：2025.05.07】【最終更新日：2025.05.07】

課題データ / Project Data

課題番号 / Project Issue Number

22HK0008

利用課題名 / Title

光カソード型ナノ共振器特性を志向した半導体薄膜製造法の開発

利用した実施機関 / Support Institute

北海道大学 / Hokkaido Univ.

機関外・機関内の利用 / External or Internal Use

外部利用/External Use

技術領域 / Technology Area

【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）加工・デバイスプロセス/Nanofabrication（副 / Sub）計測・分析/Advanced Characterization

【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）量子・電子制御により革新的な機能を発現するマテリアル/Materials using quantum and electronic control to perform innovative functions（副 / Sub）革新的なエネルギー変換を可能とするマテリアル/Materials enabling innovative energy conversion

キーワード / Keywords

半導体薄膜, 気相成長, ファブリ・ペローナノ共振器, プラズモン,電子顕微鏡/Electron microscopy,リソグラフィ/Lithography,膜加工・エッチング/Film processing and Etching,スパッタリング/Sputtering,ALD,EB,表面・界面・粒界制御/ Surface/interface/grain boundary control

利用者と利用形態 / User and Support Type

利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)

押切 友也

所属名 / Affiliation

東北大学多元物質科学研究所, 北海道大学電子科学研究所

共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes

三澤弘明,荒木魁

ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes

松尾保孝（北大電子研）,石旭（北大創成）

利用形態 / Support Type

（主 / Main）機器利用/Equipment Utilization（副 / Sub）,技術補助/Technical Assistance

利用した主な設備 / Equipment Used in This Project

HK-602：超高精度電子ビーム描画装置(125kV)
HK-603：超高速スキャン電子線描画装置(130kV)
HK-609：ヘリコンスパッタリング装置
HK-616：原子層堆積装置
HK-617：原子層堆積装置（粉末対応型）

報告書データ / Report

概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)

近年、局在表面プラズモン共鳴（LSPR）とファブリ・ペローナノ共振器（FP ナノ共振器）とが互いに強く相互作用してモード強結合を形成すると、光電気化学反応効率が向上することが報告されている。強結合構造を光電極として用いる場合、その基材となる半導体の光学・電気特性が電極の光電気化学反応に大きく作用すると考えられる。そこで本研究では、強結合構造の基材としてポジティブ（p）型半導体である酸化ニッケル（NiO）に着目し、FPナノ共振器の形成に好適なNiO層の作製を目指してその成膜条件について検討した。

実験 / Experimental

高耐久性導電膜および白金が表面に成膜されたSiO₂基板（以下、各々HDC、Pt基板と略す）上に、0.5および1.0 moldm^-3の酢酸ニッケルのN,N-ジメチルエタノールアミン/モノエタノールアミン（v/v=9/1）溶液をスピンコートし、600℃、大気下で焼成する湿式塗布法によりNiO層の成膜を行った（NiO/HDC、NiO/Pt）。次いで、前駆体の気相プラズマ固定によりNiOを成膜した。さらに、Pt基板上に湿式塗布法で成膜したNiO層の上に、抵抗加熱真空蒸着装置でAu層を成膜後、大気下600℃で焼成することで金ナノ粒子を形成させた（Au/NiO/Pt）。上述で作製した光カソードのナノ構造形状、光学特性、電気化学特性の評価を行った。

結果と考察 / Results and Discussion

図1(a)および1(b)のNiO層の電界放射型走査電子顕微鏡（FE-SEM）の表面像から、気相プラズマ固定による成膜後にNiO粒子径の増大と、空隙の消失が観測された。さらに、光学スペクトルから求めた屈折率は気相プラズマ固定の後処理により増大し、空隙が埋められたNiO層が形成されていることが示唆された。さらに、紫外光照射下での光電気化学反応効率も、後処理したNiO層の方が高かった。図1(c)に示す吸収スペクトルより、NiO/Ptは波長500 nm近傍にFP共振に由来する共振ピークを示すことがわかった。ここにAuナノ粒子を形成したAu/NiO/Ptでは吸収波長の広帯域化と吸収効率の大幅な増大が観測された。以上より、NiO/PtからなるFPナノ共振器とLSPRとの光学的な相互作用が確認された。

図・表・数式 / Figures, Tables and Equations

Fig. 1 (a,b) 表面FE-SEM像. (a) 0.5 mol dm^-3酢酸ニッケル溶液から成膜したNiO薄膜.(b) 気相プラズマ固定を施した(a)のNiO薄膜. (c)NiO/PtおよびAu/NiO/Ptの吸収スペクトル．

その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)

共同研究者：三澤弘明、松尾保孝、荒木魁（北大電子研）石旭（北大創成）関連する研究で特許申請中を予定しているため、報告書の公開猶予期間を設定させていただきました。

成果発表・成果利用 / Publication and Patents

論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)

1. Yaguang Wang, Improved water splitting efficiency of Au-NP-loaded Ga₂O₃ thin films in the visible region under strong coupling conditions, Nanoscale Advances, 5, 119-123(2023).
   DOI: 10.1039/d2na00768a
   

口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.

1. 押切 友也, 手塚 隆博, 荒木 魁, 新家 寛正, 松尾 保孝, 三澤 弘明, 中川 勝,「光カソード型ナノ共振器特性における酸化ニッケルの効果」,第70回応用物理学会春季学術講演会(東京), 2023年3月18日
2. Tomoya Oshikiri, "Visible light active photocathode under modal coupling regime" IPS-24/ICARP2024(Hiroshima) 2024年7月30日
3. Tomoya Oshikiri, "Design of near field for the novel photochemical reaction on plasmonic structure under modal coupling regime" the 12th Singapore International Chemistry Conference(Sigapore) 2024年12月11日

特許 / Patents

特許出願件数 / Number of Patent Applications：1件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件