【研究領域課題番号】22H01411 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

単層カーボンナノチューブ / 結晶成長 / イメージング分光 / その場観察 / 配列制御

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2022-04-01 - 2026-03-31

【配分額】17,680千円 (直接経費: 13,600千円、間接経費: 4,080千円)

【研究分野】岩石・鉱物・鉱床学

【研究領域課題番号】22244066 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

地球物質科学 / コンドリュール / 結晶成長 / 惑星科学 / その場観察 / ハイパークーリング / 潜熱 / 結晶形態安定性 / オリビン / 結晶化 / 核形成 / コロイド / メルト成長 / 宇宙塵

【研究成果の概要】

原始太陽系と同じ非接触環境を模擬した、コンドリュールメルト液滴からの結晶化の“その場”観察を行なった．その結果，天然の組織を再現するには、これまで考えられていた条件より遥かに大きい超過冷却度（300~ 1100 K）が必要で、数秒の短時間で完了することが分かった．さらに，過冷却度に応じて多様な凝固組織の出現を確認し、天然隕石に見られる多様性との対応を行った．この結果をもとにすることで、コンドリュール組織形成に関する速度論的な理論モデル化が初めて行えた。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2010-04-01 - 2014-03-31

【配分額】45,370千円 (直接経費: 34,900千円、間接経費: 10,470千円)

【研究分野】岩石・鉱物・鉱床学

【研究領域課題番号】19204052 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

惑星起源・進化 / 結晶成長 / 宇宙科学 / その場観察 / 干渉計

【研究成果の概要】

コンドリュールメルトは徐冷状態で数日~数ヶ月で結晶化すると考えられていた。これに対し、新開発のメルト浮遊実験では、特有のコンドリュール組織の形成には数百度の超過冷却状態が必要で、その結果、数秒の短時間で結晶化が完了しなければならないことを明らかにした。この結果は、天文理論で発展している衝撃波加熱によるコンドリュール形成を強く支持する。同時に天然に近い惑星間塵も作られる環境が実現しうる。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2007 - 2008

【配分額】44,850千円 (直接経費: 34,500千円、間接経費: 10,350千円)

【研究分野】地球宇宙化学

【研究領域課題番号】18340177 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

結晶成長 / 結晶溶解 / アミノ酸 / 微量元素 / その場観察

【研究成果の概要】

18年度は(1)炭酸カルシウム結晶の溶解ならびに成長過程において、アミノ酸の添加がどのような影響を及ぼすか、ならびに(2)炭酸カルシウムを中心とする無機結晶において、微量な希土類元素がどのような化学形態で、(3)そしてどれだけの濃度で取り込まれるのか、といった実験的な課題に取り組んだ。
(1)については、溶液化学的な手法によって、炭酸カルシウムの溶解過程におけるアミノ酸の添加効果を速度論的かつ平衡論的に記述する手法を確立することができた。その結果、アミノ酸の添加により、炭酸カルシウムの溶解速度と溶解度がいずれも増加することがわかった。この研究課題については、大学院学生を中心に投稿論文の準備を進めている。
(2)についてはこれまでの研究に引き続き、放射光を利用したX線吸収分光法によって、結晶中に取り込まれた微量な希土類元素の価数について解析を行った。その結果、いくつかの希土類元素について、有意に2価イオンの存在が検出された。今後はホスト相を系統的に変化させて多くの実験データを蓄積していきたい。
(3)については、ICP-質量分析計を研究室に導入し、ppbレベルの希土類元素の濃度測定を行うための研究環境の整備を行った。現在は、人工的に合成した鉱物中に含まれる希土類元素濃度を測定しているが、今後は多くの不純物元素が共存している天然系の試料での測定を行う予定である。そのための化学分離作業の準備や新たな標準試料の調整を現在進めているところである。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2006 - 2008

【配分額】14,920千円 (直接経費: 14,200千円、間接経費: 720千円)

【研究分野】応用物性・結晶工学

【研究領域課題番号】16360001 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

タンパク質 / 結晶成長 / 格子欠陥 / その場観察 / 単位成長ステップ / 表面拡散 / レーザー共焦点顕微法 / 1分子観察 / レーザー共焦点顕微鏡

【研究成果の概要】

リゾチーム正方晶系結晶表面上の単位成長ステップ,個々のタンパク質分子,および結晶中の格子欠陥を,新規に作製したレーザー共焦点微分干渉顕微鏡,近接場1分子観察蛍光顕微鏡,および光散乱トモグラフィー顕微鏡を用いてその場観察し,下記の成果を得た.
1.流れの効果:強制流下で結晶表面の成長ステップの挙動をその場観察し,流れが結晶表面への不純物の輸送を促進し,ステップを顕著に束化することを見いだした.
2.結晶上での表面拡散:結晶表面近傍での蛍光ラベル化リゾチーム分子の拡散運動をその場観察,結晶表面近傍ではバルク溶液中に比べて拡散係数が4桁小さいこと,および結晶方位に応じて拡散係数に異方性が見られることを初めて明らかにした.
3.不純物タンパク質の吸着機構:リゾチームおよび共有結合性リゾチーム・ダイマーを蛍光ラベル化し,結晶表面への吸着過程をその場観察した.その結果,蛍光ラベル化リゾチームは選択的にステップに,そして蛍光ラベル化ダイマーはテラスにランダムに吸着すること,および吸着機構に応じてステップ前進速度の過飽和度依存性が異なることを見出した.
4.結晶中の格子欠陥:結晶を溶解させることなく,結晶中の転位のその場観察に成功した.また,結晶表面に付着した微結晶が母結晶中へ固相インクルージョンとして取り込まれると転移の発生源となり,インクルージョン直上に渦巻成長丘が発達することを見出した.さらに,結晶中の空孔や不純物粒子を起源とするマイクロ欠陥と考えられるコントラストのその場観察にも成功した.
5.総括:結晶表面でのタンパク質分子の表面拡散・吸着・脱離過程を初めて明らかにした.また,高品質結晶を成長させるためには,不純物タンパク質の吸着サイトに応じて最適過飽和度が異なること,流れは抑制した方がよいことを見いだした.さらに,成長している結晶中の主な格子欠陥のその場観察技術を確立した.

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2004 - 2005

【配分額】15,400千円 (直接経費: 15,400千円)

【研究分野】応用物性・結晶工学

【研究領域課題番号】11555002 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

化合物半導体 / 結晶成長 / MOVPE / 選択成長 / 反応機構 / その場観察 / シュミレーション / 集積化 / シミュレーション

【研究成果の概要】

本研究は、InGaAsP系化合物半導体をベースとしたモノリシック光集積回路を効率よく作製するための基礎技術として、MOVPEプロセスにおける選択成長現象を有効に活用することを目標とした。MOVPEプロセスにおいて、化合物半導体結晶板上にシリコン酸化膜など、絶縁性の被膜を部分的に作製すると、絶縁被膜の上には結晶成長が一切起こらず、結晶基板上にのみエピタキシャル成長をする。このとき、結晶表面積と絶縁被膜表面積のローカルな比によって結晶表面での成長速度並びに化合物組成に変化が生じる。これを面積選択性と呼び、積極的に活用すると、絶縁被膜(マスク)を通常のリソグラフィによりパターニングするだけで、アクティブな発行素子、受光素子、ならびに光導派路などを一回の結晶成長により作製できる。この技術を高度に活用するために、本研究では、MOVPEプロセスにおける気相及び表面での反応過程解析を検討した。
昨年度は、特定の条件でMOVPEリアクター内でのプレーンな基盤表面上への製膜速度分布、組成分布を解析し、熱流体解析ソフト(CFD)によるシュミレーションと比較して反応機構の検証を行った。その結果、通常の条件ではIII族組成分布、成長速度分布を良好に再現でき、モデルの妥当性を確認できた。しかし、特にV族組成に関しては実験結果を再現できない点があり、基板上でのV元素の吸着・脱離が基板上に成長する半導体の組成に影響を受けている可能性があった。これを検証するため、今年度はエミッションIR分光法による成長表面の吸着種観測を試みたが、基盤ヒータまわりからの迷光などにより、有効な測定はできなかった。そこで、成長速度を半減させ、組成と成長速度の変化を検討してみたところ、従来用いていた反応モデルと速度データでは再現できないほど、組成に変化が現れた。これに対して、モデルの再検討を行い、表面での非線形な速度式を導入することが必要であることがわかった。また、面積選択成長を行った際に、プレーンな基板上に成長したエピタキシャル膜と組成が異なることもわかり、In系の製膜種が表面拡散・気相拡散が遅いために分布を持つことで理解できた。これらの知見を基に、面積選択成長によるモノリシック光集積回路の作製技術を高度化することが可能となった。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】1999 - 2000

【配分額】11,900千円 (直接経費: 11,900千円)

【研究分野】応用物性・結晶工学

【研究領域課題番号】05452092 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

その場観察 / 光プローブ / 表面光干渉法 / SPI / 化合物半導体 / ヘテロエピタキシ- / セレン化亜鉛 / MOVPE / エピタキシー / 結晶成長

【研究成果の概要】

本研究では、本申請者らが開発した表面光干渉法(Surface Photo-Interference:SPI)と呼ぶ新しい原理に基づいた原子・分子レベルでの成膜モニターについて、下記のように検討を進め、MOVPEなどの非真空系での化合物半導体のヘテロエピ成長でのその場観察手段として有効であることを確認・実証した。
まず、GaAs基板上へのZnSe成長とともにCdSeの成長についても、MOVPEとMOMBE成長系でのヘテロエピ成長過程のSPIによる解析をすすめ、実験結果を詳細に比較検討し、両者では成膜素過程に大きな相違があることを明らかにし、今後の伝導性制御への有効な知見を得た。
次に、多波長のSPI信号の同時測定のための準備として、プローブ光の波長を変えた場合の理論解析をすすめ、プローブ光のエネルギーが成長中の半導体のエネルギーギャップより大きい場合であってもSPI信号が得られることを確認した。これに基づき、ハロゲンランプを光源として白色光ビームをつくり、これをプローブ光として得られた反射光を、光マルチチャネルアナライザーで多波長のSPI信号を同時に検知する分光SPI信号測定系を構成した。これにより、表面反応に基づくと考えられる分光SPI信号の測定に成功したが、分光SPIではヘテロエピ膜の厚さの変化につれてスペクトル構造が変化することがわかり、現在、詳細な解析を進めている。この分光SPI信号は、SPI信号をより発展させた形で、MOVPE系での有望な成膜モニターと成ると考えられる。

【研究種目】一般研究(B)

【研究期間】1993 - 1994

【配分額】6,300千円 (直接経費: 6,300千円)

【研究分野】結晶学

【研究領域課題番号】62460226 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

高分解能・超高真空電子顕微鏡 / 結晶成長 / 表面再配列構造 / シリコン表面 / 金属微粒子の構造 / シリコンー金属吸着構造 / シリコン-金属吸着構造 / 超高真空・高分解能電子顕微鏡法 / 表面構造 / ヘテロエピタクシャル成長 / 真空蒸着 / その場観察 / 金 / シリコン

【研究成果の概要】

高分解能・超高真空電子顕微鏡を用いて、表面・吸着膜成長過程の"その場"観察を、透過顕微鏡法と反射顕微鏡法によって、原子レベルで行った。
A.シリコン(111)表面での金属原子の吸着過程、B.金表面の再配列構造とその上での金の層成長過程、C.グラファイト下地での金微粒子の核成長過程を明らかにした。
Aでは、a)Pd原子が/3x/3構造をつくり、この構造が三個のPd原子のトライマーが回転した配置を持つことを見出した。また、b)CuやAuが吸着してできる"5x5"非整合構造や5x2構造について、吸着がSi(111)7x7表面のステップで優先的に起こること、吸着に依って余剰となったSi原子が拡散してステップの下側へも吸着層が広がっていくことが見出された。吸着層の成長の定量的解析から、吸着層のSi原子はダングリング結合を3本もつmissing top layer構造であることを明かとした。
Bでは、金の(001)と(110)表面に形成される、それぞれ、5x1および2x1再配列構造を高分解能プロファイル顕微鏡法で観察し、原子変位の詳細を明かとした。これらの表面に金が層成長する過程を高分解能プロファイル顕微鏡法で観察し、(110)面では2原子層の(111)表面では1原子層の成長が起こることを示した。
Cでは、グラファイト下地上に蒸着された金原子が核成長する過程で、個々の金原子が表面を拡散してクラスターを形成し、次第に大きくなって多重双晶粒子へと成長していく過程を高分解能顕微鏡観察できた。
また、固相微粒子の液体様の振舞い、ならびに、液化現象についても調べた。

【研究種目】一般研究(B)

【研究期間】1987 - 1988

【配分額】6,700千円 (直接経費: 6,700千円)