【公開日：2025.05.15】【最終更新日：2025.05.15】
課題データ / Project Data
課題番号 / Project Issue Number
23HK0035
利用課題名 / Title
イオン層エピタキシー法によるZnOナノシートの選択合成
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
内部利用（ARIM事業参画者以外）/Internal Use (by non ARIM members)
技術領域 / Technology Area
【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）物質・材料合成プロセス/Molecule & Material Synthesis（副 / Sub）計測・分析/Advanced Characterization
【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）高度なデバイス機能の発現を可能とするマテリアル/Materials allowing high-level device functions to be performed（副 / Sub）次世代ナノスケールマテリアル/Next-generation nanoscale materials
キーワード / Keywords
エレクトロデバイス/ Electronic device,センサ/ Sensor,電子顕微鏡/ Electronic microscope,集束イオンビーム/ Focused ion beam,赤外・可視・紫外分光/ Infrared/visible/ultraviolet spectroscopy,ナノワイヤー・ナノファイバー/ Nanowire/nanofiber,ナノシート/ Nanosheet
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)
長島 一樹
所属名 / Affiliation
北海道大学電子科学研究所インタラクション機能材料研究分野
共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes
ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes
山﨑郁乃,遠堂敬史,松尾保孝
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-403：集束イオンビーム加工装置
HK-625：高分解能電界放射型走査型電子顕微鏡
HK-404：超高分解能電界放出形走査電子顕微鏡
HK-406：X線光電子分光装置
HK-402：走査型透過電子顕微鏡
報告書データ / Report
概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)
二次元ナノ材料であるZnOナノシートは、ZnOの機能物性や二次元結晶の柔軟性、原子層制限空間などの構造特性を併せ持つ魅力的なナノ材料であり、ナノエレクトロニクスやフォトニクス分野で注目を集めている。現在までに様々な合成アプローチが報告されてきたが、特に油水界面に配列した界面活性剤分子層をテンプレートとして利用するイオン層エピタキシー法（ILE法）は簡便性とナノシートのサイズ・材料拡張性から有望な方法論として期待されている。しかしながら、従来のILE法によるZnOナノシートの合成反応では不要な副生成物が同時に形成され、ナノシートのデバイス応用展開へ向けた本質的な課題となっている。そこで本研究では副生成物の正体やその形成メカニズムを明らかにすると共にZnOナノシートの選択合成の設計指針構築を目的として研究を行った。
実験 / Experimental
硝酸亜鉛六水和物とヘキサメチレンテトラミン（HMTA）を2:1のモル比で脱イオン水15mLに混合して成長溶液を調製した。硝酸亜鉛六水和物の濃度は0.01-40mMの範囲で変調した。次いで、7mMのドデシル硫酸ナトリウム（SDS）溶液を80℃で酢酸エチルと混合し、100μLのSDS溶液を成長溶液表面に滴下した後、2時間静置した。ZnO NSs の合成は60-80℃、2時間の条件で行い、成長溶液表面に形成されたZnOナノシートをディップコート法によりSi/SiO2基板に転写した。ZnOナノシートおよび副生成物の形状・組成はそれぞれ走査型電子顕微鏡（SEM）、X線光電子分光法（XPS）にて評価した。
結果と考察 / Results and Discussion
既報の合成条件（Zn 25 mM、60℃）でZnOナノシートの合成を行った所、多量の副生成物の形成が確認された。副生成物に対して各種トリートメント（O2プラズマ照射、酸処理）を施した結果、副生成物の正体は不完全に反応したZn由来の化合物であることが明らかとなった。実際に合成温度を80℃まで上昇させた際には、反応が完全に進行しZnOナノロッドの形成が確認された。核形成理論に基づく選択成長の可能性探索として、Zn前駆体濃度を系統的に変調した所、ZnOナノシート・ZnOナノロッド間で臨界核生成濃度の差異は見られなかったものの、Zn前駆体濃度の減少に伴って副生成物であるZnO ナノロッド発生が急激に抑制される結果を得た。そこで、油水界面近傍におけるSDSの分布を制御し、狙いの空間位置へのZn前駆体の誘導を試みた所、ZnOナノシート・ZnO ナノロッドの臨界核生成濃度の差異に由来する“選択成長窓”の発現が確認された。本設計指針に基づき、Zn前駆体濃度の精密制御を試みた結果、ZnO ナノロッドの発生のないZnO ナノシートの選択合成に成功した。
図・表・数式 / Figures, Tables and Equations
(左)イオン層エピタキシーの概念図, (中)ZnOナノシートとZnOナノロッドの臨界核形成濃度の差異に基づく選択成長窓, (右)選択合成ZnOナノシートのSEM像
その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)
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)
口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.
- Yuta Kazama, Ryunosuke Matsumura, Narathon Khemasiri, Kazuki Nagashima,"Synthesis of ‘Dressed’ ZnO Nanowires by Overtime Hydrothermal Growth with Excess Ammonia" 14th ISAJ Annual Symposium on Integrated Science for A Sustainable Society (北海道), 令和5年11月10日
- Ryunosuke Matsumura, Yuta Kazama, Narathon Khemasiri, Kazuki Nagashima, "Prevention of Byproduct Synthesis in Ionic Layer Epitaxy of Monolayered Zinc Oxide Nanosheets" 14th ISAJ Annual Symposium on Integrated Science for A Sustainable Society (北海道), 令和5年11月10日
- Yuta Kazama, Ryunosuke Matsumura, Narathon Khemasiri, Kazuki Nagashima, "Exploring A Way to Break Surface Area Limit on Hydrothermally Grown ZnO Nanowire Array" The 24th RIES-Hokudai International Symposium (北海道), 令和5年12月6日
- Ryunosuke Matsumura, Yuta Kazama, Narathon Khemasiri, Kazuki Nagashima, "Nucleation Phenomena Based Designed Synthesis of ZnO Nanosheets in Ionic Layer Epitaxy" The 24th RIES-Hokudai International Symposium (北海道), 令和5年12月6日
- Yuta Kazama, Ryunosuke Matsumura, Narathon Khemasiri, Kazuki Nagashima, "Novel Synthetic Approach for ZnO High-Order Nanostructures by Competition of Crystal Growth and Chemical Etching" The 2023 RIES-CEFMS Joint International Symposium (北海道), 令和5年12月7日
- Ryunosuke Matsumura, Yuta Kazama, Narathon Khemasiri, Kazuki Nagashima, "Ionic Layer Epitaxy of Monolayered Zinc Oxide Nanosheet" The 2023 RIESCEFMS Joint International Symposium (北海道), 令和5年12月7日
- 風間勇汰, 松村竜之介, Narathn Khemasiri, 長島一樹, "局所的な結晶成長と化学エッチングの協奏的作用に基づく巨大表面ZnOナノワイヤの創製" 第59回応用物理学会 北海道支部/第20回日本光学会北海道支部合同学術講演会 (北海道), 令和6年1月7日
- 松村竜之介, 風間勇汰, Narathon Khemasiri, 長島一樹, "イオン層エピタキシー法によるZnOナノシートの完全選択合成" 第59回応用物理学会北海道支部/第20回日本光学会北海道支部合同学術講演会 (北海道), 令和6年1月6日
特許 / Patents
特許出願件数 / Number of Patent Applications：0件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件