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デバイスのさらなる小型化に光 ―意外にも大きかった原子の悲鳴―

平成24年10月22日

東京大学生産技術研究所

1.発表者
  石田  忠(東京大学生産技術研究所 特任助教(当時)
/現在の所属は東京工業大学大学院総合理工学研究科 助教)
  角嶋 邦之(東京工業大学フロンティア研究機構 准教授)
  溝口 照康(東京大学生産技術研究所 准教授)
  藤田 博之(東京大学生産技術研究所 教授)

2.ポイント
①原子配列の乱れである転位が金ナノ配線内部を移動するときに、大きなノイズを発生することを
発見したという成果を出した。

②原子配列の乱れである転位は機械的側面からは解釈が進んでいたが、電気的側面からはその解釈
はほぼ皆無であった。その状況において、特にナノサイズの構造では転位がもたらす影響が大きく
なり、転位が移動することで、電気信号に対して10%という非常に大きなノイズを与えるという知
見を得たことが新しい。

③本研究成果は新しいノイズ源の発見という意味で基礎科学のみならず、応用的にも非常に重要で
あり、この問題の解決がさらなる多機能・高性能な電気機器の開発において大きなブレイクスルーとなると考える。

3.発表概要
電子機器を構成する配線やトランジスターのデバイスサイズは、ナノテクノロジーによってついに数十ナノメートルにまで到達し、今後もさらなる小型化による性能向上が期待されています。
ところが、デバイスのサイズが小さくなると、デバイスを構成する原子の全体数が少なくなるため、従来では問題にならなかったような原子サイズレベルの乱れが、デバイス全体に非常に大きな影響を及ぼすようになります。デバイスを構成する結晶構造には、しばしば原子配列の部分的な乱れである「転位」と呼ばれる領域があります。熱や力が加えられると、転位付近の原子の結合が切断され、転位の位置がずれていくことが知られています。このような原子活動が電気的な性質に与える影響が、ナノメートルサイズのデバイスでは重要になります。しかし、このような微小領域で生じる現象を調べるのは非常に困難で、これまで、転位の移動とデバイスの電気的な性質との関係は全くわかっていませんでした。
東京大学生産技術研究所の石田忠特任助教らは、原子の結合が切れる際に原子が出す「悲鳴」ともいうべきノイズの検出に成功し、デバイスのサイズが10 nm以下になると、転位一つが動くことによるノイズが電気信号の約10%にも達することを発見しました。
研究グループは、尖った金針同士を押し付けて断面がわずか数十個の原子でできた接合部分を作成し、接点内部の転位移動による電流の振動を検出しました。今回、電子顕微鏡にマイクロマシンを組み合わせた手法の開発によって、転位の移動の観測及びノイズの検出が世界で初めて可能となりました。
今後、このノイズの解決が、さらなる多機能・高性能な電子機器の開発の鍵となるでしょう。

4. 発表内容
①私たちの身の回りにはスマートフォンやスマート家電など、多機能・高性能な電子機器が普及し、私たちの暮らしを便利にしている。これらの多機能・高性能な電子機器が実現した背景にはナノテクノロジーの発展がある。ナノテクノロジーにより半導体デバイスの構造は数十ナノメートル(ナノメートル(nm)は10億分の1メートル)にまで到達し、今後さらなる小型化による性能向上が求められている。しかし、サイズの小型化によってこれまであまり注目されてこなかった現象が重大な影響を及ぼすことが本研究により明らかになった。それが原子の活動に伴って発生するノイズである。
電子機器を使う時に温度が上昇したり力が加わることによって、微小な配線やトランジスターを構成する原子配列の部分的な乱れである「転位(注1)」とよばれる領域に力が集中し、ある臨界値を超えると原子の結合が切断される。これまで、この転位の持つ機械的な役割は研究が十分になされてきたが、電気的な役割はほとんど研究がなされてこなかった。近年配線やトランジスターの小型化に伴ってそれを構成する原子数も少なくなったため、転位周りの原子が活動する際にノイズが発生すると考えられる。この転位周りの原子の活動により発生するノイズは転位の電気的な役割であるが、現象がナノメーターレベルの微小領域で発生するため、それを検出することができなかった。そこで我々は最新のマイクロマシンを透過型電子顕微鏡の中で動かす新規な手法を用い、転位周りの原子の結合が切れる際に原子が出す「悲鳴」ともいうべきノイズを検出することに成功した。

②ナノメートルサイズの金(注2)の電気計測をしたところ、金の内部に存在する転位の動きにより抵抗
値が大きく変動しノイズが発生することがわかった。以下、詳細を説明する。転位の動きと抵抗値の
変動を関連付けるためには、転位の動きを見る目と抵抗値の変動を計測するセンサが必要となる。そ
こで、我々は電子顕微鏡を目として、マイクロマシンをセンサとして、互いを組み合わせることで、
転位の動きと抵抗値の変動を関連付けるための実験装置を構築した。そして、その電子顕微鏡の中で
マイクロマシンを動かし、マイクロマシンの持つナノメートルレベルで尖った針先同士を押し付ける
と、針の間に直径6.3 nmの金のナノ接合(注3)ができた(図1)。そのナノ接合に1 mVの電圧を加え
たところ、6 μA程度の電流が流れた(図2グラフとa)。電流計測中に、金のナノ接合内部の転位が
0.5 nm程度動いたときに、ナノ接合を流れる電流が0.7 μA程度振動した(図2グラフとc)。この電
流の振動は転位が動く0.5 秒前から始まり、転位が停止した0.5 秒後までの合計1秒間継続した(図
2グラフ)。さらにナノ接合内部で動く転位の数に比例して、この電流値の振動(=ノイズ)は大きく
なることもわかった。
抵抗値は寸法や材料で原則的に決まるわけだが、今回の発見により内部の原子が動くことでナノ接
合の抵抗値が大きく変動することがわかった。具体的には、数十個の原子でできたナノ接合において
たった一つの転位が動くだけで抵抗値が1割程変動した。このことは、デバイスのサイズが10 nmかそれ以下になるとノイズは電気信号の約10%にも達することを示している。つまり本研究からデバイスのさらなる小型化のためにはこの転位周りの原子の活動を抑えることがキーになることが明らかとなった。

③電気製品がますます小型化・低電力化するにつれ、個々の原子の活動が電気素子の特性に与える影
響は非常に重要となる。温度上昇や外部から応力が加わると、転位領域の原子が活発に動くことは容易に想像できる。その際、発生するノイズが電気信号の一割にも及ぶことが分かった本研究成果は新しいノイズ源の発見という意味で基礎科学のみならず、応用的にも非常に重要であり、この問題を解決することができれば、さらなる多機能・高性能な電気機器の開発につながると考える。

5.発表雑誌
以下のScientific Reportsの論文がネイチャーアジア・パシフィックの注目論文として、10月23日にネイチャーアジア・パシフィックのWebページに掲載される予定です。
Title: “Role of Dislocation Movement in the Electrical Conductance of Nanocontacts”
Authors; Tadashi Ishida, Kuniyuki Kakushima, Teruyasu Mizoguchi and Hiroyuki Fujita
Scientific Reports, 2, 623, 2012. Published 2012/9/3
URL: www.nature.com/srep/2012/120903/srep00623/full/srep00623.html

タイトル:「ナノ接点の電気特性に与える転移の挙動」
著者:石田忠、角嶋邦之、溝口照康、藤田博之
サイエンティフィック・レポーツ、2号、記事番号623、2012年。2012年9月3日掲載。

*英論文誌Scientific ReportsはNature Publishing Groupが発刊するオンラインオープンジャーナル(インターネット上で誰でも読める論文誌)です。

6.問い合わせ先
東京工業大学大学院総合理工学研究科
助教 石田 忠 (東京大学生産技術研究所 協力研究員)

7.用語説明
(注1)転位:金属や半導体は通常結晶と呼ばれる原子が規則正しく配列した状態にある。この規則
正しい配列に原子抜けや原子サイズのずれが生じた部分を転位と呼ぶ。転位は金属や半導体の
機械的な特性に大きく影響することは広く知られているが、電気的な特性に対して影響がある
かは知られていなかった。

(注2)金:金は様々なナノ構造を形成することができ、化学的に安定な材料である。そのため、
ナノテクノロジーの研究・開発において頻繁に使用される材料である。

(注3)ナノ接合:ナノサイズで鋭い針と針を接触すると、接触部同士が融着し物理的に一つにな
る。そうして針と針の間に形成されたナノサイズの接合のことをナノ接合と呼ぶ。

9.謝辞
本成果は、日本学術振興会 科学研究費補助金 特別推進研究 課題番号21000008 (研究課題名「MEMSと実時間TEM顕微観察によるナノメカニカル特性評価と応用展開」、研究代表者:藤田博之)において得ました。

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