【公開日：2025.06.10】【最終更新日：2025.05.16】

課題データ / Project Data

課題番号 / Project Issue Number

24UT0125

利用課題名 / Title

酸化物半導体材料の構造学的・分光学的評価

利用した実施機関 / Support Institute

東京大学 / Tokyo Univ.

機関外・機関内の利用 / External or Internal Use

内部利用（ARIM事業参画者）/Internal Use (by ARIM members)

技術領域 / Technology Area

【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）計測・分析/Advanced Characterization（副 / Sub）-

【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）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

キーワード / Keywords

光デバイス/ Optical Device,X線回折/ X-ray diffraction,フォトニクス/ Photonics

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)

松井 裕章

所属名 / Affiliation

東京大学工学系研究科バイオエンジニアリング専攻

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

利用形態 / Support Type

（主 / Main）機器利用/Equipment Utilization（副 / Sub）-

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

UT-203：粉末X線回折装置

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、酸化物半導体の表面プラズモン技術を用いた高感度な表面センシング技術が注目されている。特に、表面増強ラマン分光（SERS）は、微量な生体分子等の分子振動を高感度に検出可能な技術として知られている。本課題では、WO₃ナノ粒子薄膜の表面プラズモン共鳴に着目する。WO₃は不純物（欠陥）等を母体に導入することで可視域に欠陥に伴う光吸収バンドを形成させ、光電変換や光触媒材料などの光エレクトロニクス材料として応用展開されている。また、一方、WO₃は1価の不純物元素の添加に伴い、金属的性質を示し、それは表面プラズモン（SPR）共鳴を起こし、可視から近赤外域にかけて自由電子の集団的振動に伴う光吸収が発現する。本研究では、欠陥に伴う可視吸収やSPRに起因する近赤外吸収を用いたSERS応用に展開する。本課題の目的は、WO₃ナノ粒子薄膜の水素還元を通じて、SERS応用に適する光吸収制御を可視から近赤外域において行うことである。

実験 / Experimental

15nmの粒子径を持つWO₃ナノ粒子薄膜はスピンコーティング法を用いて作製した。薄膜試料は水素還元（100%）雰囲気下で200℃から700℃まで熱処理を実施した。作成した薄膜についてXRD(SmartLab(3kW))で同定を行った。

結果と考察 / Results and Discussion

600℃以上の高温熱処理の場合、WO₃とCaF₂基板の化学反応に伴いCaWO₄の副生成物が生じた。しかし、500℃以下の低温熱処理では、WO_3-x（斜方晶系）の単一相が得られた。水素還元に伴う化学組成はWO₃からWO_2.92まで変化したことがXRDの結果から確認できた。
還元熱処理されたWO_3-xナノ粒子薄膜は、処理温度の上昇と伴に可視域の光吸収が増大した。更に、近赤外域にSPR励起に関係する光吸収が発現し、処理温度の上昇に伴いSPRピークが徐々に可視域にシフトした。水素還元は、母体試料内に格子欠陥とSPR励起に関係する光吸収を同時に形成可能であり、可視から近赤外域にかけて幅広い吸収バンドを与える。この光制御法は、異なる波長帯域で励起可能なSERSセンシングが可能となる。

図・表・数式 / Figures, Tables and Equations

還元雰囲気下におけるWOxナノ粒子薄膜の光学及び結晶学的制御

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.

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