このコーナーでは，平成18年度に採択された，科学研究費補助金 基盤研究(S) 課題名「高い秩序度を有する金属ナノマテリアルの創製と展開」 について，その進捗状況ならびに実績報告を掲載しています。
課題名： 高い秩序度を有する金属ナノマテリアルの創製と展開
課題番号： 18106003
研究期間： 平成18年4月〜平成23年3月
研究組織： 代表者： 坂 真澄 東北大学大学院工学研究科 教授
分担者： 笹川 和彦 弘前大学大学院理工学研究科 教授
分担者： 巨 陽 名古屋大学大学院工学研究科 教授
分担者： 村岡 幹夫 秋田大学工学資源学部 准教授
分担者： 燈明 泰成 東北大学大学院工学研究科 准教授
研究目的：
本研究は，原子拡散と再配列の現象を論理的に取り扱い，これを制御する科学基盤を確立し，これまでに実現されていない秩序度の高い金属ナノマテリアルの創製を実現すると共に，その物理的特性を正確に把握することで創製したナノマテリアルの展開・応用を図るものである。高密度電子流を駆動力として，原子を拡散させ，拡散した原子を意図した特定箇所に局所的に集約して高い圧縮応力を発生させ，圧縮応力を急激に解放することに伴って原子を排出して再配列させるという独自の発想に基づく原子制御の科学基盤を構築する。 ５年継続により，（T）原子拡散と再配列制御の理論的考察，（U）各種金属ナノマテリアルの創製，（V）機械的・電気的・磁気的特性評価，（W）ナノマテリアルの展開・応用，（X）ナノマテリアル創製指針の策定と量産技術化，なる５項目の研究を推進し，従来にない洗練された金属ナノマテリアル創製法の基盤確立とその展開・応用を目指す。
【各年度の研究実績】
平成18年度 研究実績
平成19年度 研究実績
平成20年度 研究実績
平成21年度 研究実績
平成22年度 研究実績
平成１８年度は申請時に計画した研究を遂行し，以下の研究実績を得た。
１．原子拡散と再配列制御の理論的考察
エレクトロマイグレーションによる原子流束発散に着目したナノワイヤ創製の数値シミュレーション手法を構築した。試験片の損傷，創製速度および創製量に及ぼす創製条件の影響を検討し，ナノワイヤ創製のための支配因子を明らかにした。
２．ナノワイヤ創製の基盤構築
アノード端にスリットを入れたSiO2被覆型のAl薄膜配線を作製してAl原子を局所的に集約することに成功した。また実験より，項目１で構築したシミュレーションの妥当性を検証した。
３．ナノコイル／ナノリング創製の実現
直径数10nmのCuナノワイヤにPt膜を不均一に蒸着して熱応力誘起の曲げモーメントを発生させ，外径約400nmの金属ナノコイル（一巻分）を実現した。
４．ナノワイヤの機械的特性評価
数値解析によりナノワイヤを降伏させるための最適な負荷形態を見出した。得られた知見を踏まえ，ナノワイヤの弾性定数および降伏強さ等の機械的特性値を評価するナノマテリアル試験機の試作に着手した。
５．４探針型原子間力顕微鏡プローブによる電気的特性評価
当該プローブの電極寸法および形状の最適化を行い，幅400nmなる微細配線の局所領域における電流−電圧関係を計測し，導電率を定量評価することに成功した。
６．超音波励振磁性振子による電気的特性評価
Cu, Au, Ptナノ薄膜内に高密度な渦電流場を形成し，導電率を定性的に評価することに成功した。さらに，カンチレバー先端に付着させたナノワイヤに局所的な渦電流場を形成して同ワイヤを評価する手法について検討した。
７．ジュール発熱を利用したナノワイヤの接合
Ptナノワイヤ同士を対向させた接触部に直流電流を付与して生じる発熱を利用して同ワイヤ同士を接合することに成功した。また異種金属同士のナノ接合や，ナノワイヤの切断にも成功した。
平成１９年度は申請時に計画した研究を遂行し，以下の研究実績を得た。
１．ナノワイヤの機械的特性評価
ナノワイヤの機械的特性を評価するナノマテリアル試験機を開発した。近接させた2本の荷重プローブによりPtワイヤの局所的な領域に高い応力を生じさせて収録した荷重−変位曲線を，数値解析により再現することで，同ワイヤの弾塑性特性を評価することに成功した。
２．ナノチューブ創製の実現
アノード端に微小孔を有する保護膜被覆型Al配線において，肉厚数10nmのAlナノチューブの形成を確認した。また，Alナノワイヤが連続的に成長することを世界で初めてその場観察することに成功した。さらに，アノード端の温度を変化させて微小孔よりAl原子を制御して排出することで，ナノワイヤ，マイクロボールを選択的に作製することを可能にした。
３．ナノコイルのばね特性評価
残留ひずみの導入によりCuナノワイヤをらせん状に曲げて，ナノコイルを作製する手法を提案し，世界最小となる金属被覆ナノコイル（素線径：70nm，コイル径：300nm）を実現した。原子間力顕微鏡プローブを用いてCuナノワイヤに座屈曲げ変形を誘起して計測した弾性率と，ナノコイルの幾何学的形状より，同ナノコイルのばね特性を評価した。
４．マイクロコイルの磁気特性評価
金属ナノコンタクト部での溶融現象を支配する因子を見出し，高確度化したナノワイヤの接合，切断手法を用いて，電極チップ上に自立した金属マイクロコイル（素線径：800nm、コイル径：10mm、巻数：１）を作製した。磁場中で同コイルに通電したところ，コイルは垂直に揺動し，磁場発生源およびアクチュエータとしての機能を確認した。 その他，Cuナノワイヤの破断強度がCuの理想強度（弾性率／10）に近いことを実証した。また，ナノ構造GaAsマイクロ波プローブを計画に先駆け実現している。
さらに，詳細を以下に報告する。
（１） 金属ナノワイヤをストレスマイグレーションにより世界最高速かつ大量に創製する方法を開発。金属ナノワイヤの太さ，長さの制御も実現。
M. Saka, F. Yamaya and H. Tohmyoh, Scripta Materialia, Vol.56, Iss.12, (2007), pp.1031-1034.
（２） 東北大学新技術説明会（東北大学・JST主催）で原理と展開について説明。
「金属ナノワイヤを低コストで作製･加工・溶接する技術」，平成19年6月8日，JSTホール，東京
（３） 「金属ナノワイヤの創製と応用のためのいくつかの基礎技術」について報告（坂 真澄，笹川和彦，巨 陽，村岡幹夫，燈明泰成）。
（独）日本学術振興会 将来加工技術第136委員会 第21回研究会，平成19年8月24日
（４） 金属ナノワイヤに直流電流を付与して生じるジュール熱を利用して，ナノワイヤを接合・切断する手法を提案。ジュール熱を利用した導電性ナノワイヤの接合・切断手法を世界で初めて提案したもの。
H. Tohmyoh, T. Imaizumi, H. Hayashi and M. Saka, Scripta Materialia, Vol.57, Iss.10, (2007), pp.953-956.
（５） ナノワイヤの形状と導電率の同時計測を世界で初めて実現。これにより幅400ナノメートル，厚さ350ナノメートルのアルミニウムワイヤの導電率を４探針型原子間力顕微鏡プローブを用いた手法により計測することに成功。
B.-F. Ju, Y. Ju and M. Saka, J. Phys. D: Appl. Phys. Vol.40, No.23, (2007), pp.7467-7470.
（６） 金属ナノワイヤを残留ひずみの導入によりらせん状に曲げてナノコイルを作製する手法の開発に成功。これにより単一金属によるナノコイル作製の報告例が世界的にない状況において，金属被覆ナノコイルとして素線の太さが世界最小（70ナノメートル）で，かつコイル径も世界最小（300ナノメートル）のナノコイル（CuO軸にCrを被覆）を実現。
M. Muraoka, N. Settsu and M. Saka, J. Nanoscience and Nanotechnology, Vol.8, No.1, (2008), pp.439-442.
（７） ストレスマイグレーションにより世界で初めて意図した箇所に銅ナノワイヤを作製することに成功。
N. Settsu, M. Saka and F. Yamaya, Strain, Vol.44, Iss.2, (2008), pp.201-208.
（８） GaAs の使用によるナノ構造マイクロ波プローブの開発に成功。世界初のマイクロ波AFMプローブの開発に成功したもの。
Y. Ju, T. Kobayashi and H. Soyama, "Development of a Nanostructural Microwave Probe Based on GaAs," Microsystem Technologies, Vol.14, No.7, (2008), pp.1021-1025.
（９） エレクトロマイグレーションによるAl微細ワイヤの生成のその場観察 （動画撮影）に成功。これにより，Al微細ワイヤが連続的に生成することを世界で初めて解明。
（10） 直流電流下の熱伝導問題を理論的に特徴化することに成功した。エレクトロマイグレーション研究の基盤を与えるものである。
M. Saka, Y. X. Sun and S. R. Ahmed, "Heat Conduction in a Symmetric Body Subjected to a Current Flow of Symmetric Input and Output," Int. J. Thermal Sciences, Vol.48, Iss.1, (2009), pp.114-121, (Available online 18 April 2008).
平成２０年度は申請時に計画した研究を遂行しており，以下の研究実績を得ている。
１． エレクトロマイグレーションを利用したAlマイクロ球の作製に世界で初めて成功。
Y. X. Sun, H. Tohmyoh and M. Saka, "Fabrication of Al Micro-Spheres by Utilizing Electromigration," J. Nanosci. Nanotechnol., Vol.9, No.3, (2009), pp.1972-1975.
２． 国際フォーラムにおいて基調講演。
M. Saka, H. Tohmyoh, M. Muraoka,Y. Ju and K. Sasagawa, "Formation of Metallic Micro/Nanomaterials by Utilizing Migration Phenomena and Enhancement of Their Functions," The 6th International Forum on Advanced Material Science and Technology (IFAMST 2008), June 12-14, 2008, Hong Kong, China.
M. Saka, H. Tohmyoh, M. Muraoka,Y. Ju and K. Sasagawa, "Formation of Metallic Micro/Nanomaterials by Utilizing Migration Phenomena and Techniques for Their Application," Mater. Sci. Forum, Vol.614, (2009), pp.3-9.
３． エレクトロマイグレーションによるAlマイクロコイル，マイクロループの創製について発表。
Y. Sun and M. Saka, "Fabrication of Al Micro-Coil and Loop by Utilizing Electromigration," Proc. 2nd Integration & Commercialization of Micro & Nanosystems International Conference & Exhibition (MicroNano2008), ASME, June 3-5, 2008, Hong Kong, China (CD-ROM), (2008).
４． エレクトロマイグレーションによるナノストラクチャー創製の数値シミュレーションを実施することにより，試験片の形状が及ぼす創製速度と体積への影響を初めて明らかにした。この手法により高効率なナノストラクチャー創製のための試験片形状の検討を行うことが可能になった。
K. Sasagawa, A. Kirita, M. Saka and S. Fukushi, "Simulation of Nanostructure Production by Electromigration Considering Specimen's Shape," Proc. 1st International Conference from Nanoparticles & Nanomaterials to Nanodevices & Nanosystems (1st IC4N-2008), June 16-18, 2008, Halkidiki, Greece, (2008), p.185.
K. Sasagawa, A. Kirita, S. Fukushi and M. Saka, "Simulation of Nanostructure Production by Electromigration Considering Specimen's Shape," J. Nanosci. Nanotechnol., (2009), in press.
５． 大会テーマセッション 「金属ナノ材料の創製と展開」 （日本機械学会 2008年度年次大会 横浜 8月6日） を開催。
当該セッションを開催し，以下の成果を発表した。
M. Saka, K. Kato, H. Tohmyoh and Y. Sun, "Controlling Electromigration to Selectively Form Thin Metal Wires and Metal Microspheres," J. Mater. Res., Vol.23, No.11, (2008), pp.3122-3128.
７． 厚さ100nmなる各種金属薄膜上で磁気プローブを振動させ，薄膜内部に形成される渦電流に起因したプローブの位相変化（渦電流損失）が薄膜の導電率に比例することを報告。
H. Tohmyoh, M. Muraoka, K. Sakomizu, H. Takeda and M. Saka, "Non-Contact Evaluation of Electrical Conductivity of Thin Metallic Films by Eddy Current Microscopy," Proc. 2008 M&M International Symposium for Young Researchers, March 9-10, 2008, Shirahama, Japan, (2008), pp.269-272.
８． 人工酸化膜試験片を考案し，ストレスマイグレーションにより Ag ナノワイヤ，および Ag ヒロック（球形，三角形）の創製に成功した成果を発表。
M. Saka, M. Yasuda, H. Tohmyoh and N. Settsu, "Fabrication of Ag Miromaterials by Utilizing Stress-Induced Migration," Proc. 2nd Electronics System-Integration Technology Conference (ESTC 2008), September 1-4, 2008, Greenwich, London, UK, Vol.1, (2008), pp.507-510.
９． 多機能原子間力顕微鏡導波プローブを開発し，プローブ先端におけるマイクロ波信号の測定に初めて成功したもの。
Y. Ju, M. Hamada, T. Kobayashi and H. Soyama, "A Nanostructural Microwave Probe Used for Atomic Force Microscope," Proc. Symposium on Design, Test, Integration and Packaging of MEMS/MOEMS 2008, April 9-11, 2008, Nice, French Riviera, France, (2008), pp.158-161.
Y. Ju, M. Hamada, T. Kobayashi and H. Soyama, "A Microwave Probe Nanostructure for Atomic Force Microscopy," Microsyst. Technol., Vol.15, No.8, (2009), pp.1195-1199.
１０． 光学顕微鏡下で行えるナノワイヤの機械的特性試験法を開発した。透過照明時のナノワイヤの回折像に注目すれば，数十nmのナノワイヤの直径や曲げ形状を計測できることを初めて明らかにした。これにより，従来の電子顕微鏡下の試験と異なり，湿度環境などの種々の試験雰囲気で試験が可能となる。また，例として直径100nm以下の酸化銅ナノワイヤにおけるヤング率と強度の直径依存性を明らかにした。
M. Muraoka and R. Tobe, "Mechanical Characterization of Nanowires Based on Optical Diffraction Images of the Bent Shape," J. Nanosci. Nanotechnol., in press.
１１． ジュール熱による接合手法を用いて直径650nmのPt細線に局所的な塑性変形を誘起し、電極チップ上に片持ち支持されたマイクロリングを作製した。また、永久磁石との組み合わせで同リング構造体にアクチュエーション機能を付与することに成功している。
（マイクロリングの直径は約10μmであり、永久磁石上に配置されている。
電流のON/OFFにより、同リングは上下方向に揺動する。）
上記に関する以下の論文を，日本機械学会M&M2008 材料力学カンファレンス（2008年9月16〜18日：立命館大学びわこ・くさつキャンパス）にて発表し，講演者の武田（修士２年）が，若手優秀講演フェロー賞 を受賞した。
・武田大尚，燈明泰成，坂 真澄，金属マイクロコイルの作製と微小磁場発生，日本機械学会M&M2008 材料力学カンファレンス講演論文集(CD-ROM)，(2009).
１２． 金属ナノワイヤを高確度に接合，切断するため，電流，ワイヤ長さおよび断面積と，熱的境界条件を補正する関数からなるパラメータを提案し，ワイヤの接触部における溶融現象が同パラメータにより支配されることを実証した。
H. Tohmyoh, "A Governing Parameter for the Melting Phenomenon at Nano-Contacts by Joule Heating and Its Application to Joining Together Two Thin Metallic Wires," J. Appl. Phys., Vol.105, (2009), pp.014907-1 - 014907-9.
１３． 発明の名称「原子の拡散を制御することによる金属ナノワイヤの製造方法およびこの方法により製造する金属ナノワイヤ」 が特許査定となった。
・特許出願番号： 特願2004-264960
・特許登録番号： 第4257429号
・特許登録日： 2009年2月13日
・特許出願人： 国立大学法人東北大学
・発明者： 坂 真澄，長谷川昌孝，上田亮介
１４． 以下の論文を，日本機械学会東北支部第４４期総会・講演会（平成21年3月13日）にて発表した。 （いずれも同講演会講演論文集No.2009-1 に掲載）
平成２１年度は申請時に計画した研究を遂行しており，以下の研究実績を得ている。
１． エレクトロマイグレーションによるナノストラクチャー創製の数値シミュレーション手法を初めて開発した。この手法の実施により電流と温度の創製条件が異なる場合のナノストラクチャー創製速度と体積の変化を捉えることができ，創製メカニズムを考慮したナノストラクチャー創製条件の検討を行うことが可能になった。
K. Sasagawa, S. Fukushi, Y. Sun and M. Saka, "A Numerical Simulation of Nanostructure Formation Utilizing Electromigration," J. Electron. Mater., Vol.38, No.10, (2009), pp.2201-2206.
２． Al における純度の違いによるエレクトロマイグレーションのおき易さの違いを明らかにし，支配因子について評価した。
X. Zhao, M. Saka, M. Yamashita and F. Togoh, "Evaluating the Dominant Factor for Electromigration in High Purities Al Film Deposited by Sputtering," Proc. ASME 2009 InterPACK Conf., July 19-23, 2009, San Francisco, CA, USA (CD-ROM), (2009).
３． FIB加工によりマイクロ波AFMプローブ探針先端のナノ構造を改良し，AFM計測の空間分解能およびマイクロ波信号の測定感度を向上させることに成功した。
Y. Ju, M. Hamada, A. Hosoi and A. Fujimoto, "Optimization of the Tip of Microwave AFM Probe," Proc. 2009 ASME/Pacific Rim Technical Conference and Exhibition on Integration and Packaging of MEMS, NEMS, and Electronic Systems (CD-ROM), (2009), IPACK2009-89252.
４． 電子デバイスのプリント基板に用いられる銅配線を対象として，エレクトロマイグレーション（EM) 損傷の支配パラメータ理論式に基づいた最適化手法を用いることにより，EM特性を示す定数を実験的に導出した。EMを利用し銅のナノストラクチャーを創製する場合の条件設定に関して重要な知見を得た。
K. Sasagawa, T. Gomyo and A. Kirita, "Derivation of Electromigration Characteristic Constants of Metal Line Used in Electronic Devices," Proc. 12th Int. Conf. Fracture, July 12-17, 2009, Ottawa, Canada (CD-ROM), (2009), Paper No. T22.009.
５． 電流入出力の端子接続を３つ以上有するツリー構造の銅配線を対象に，エレクトロマイグレーション(EM) 損傷の支配パラメータ理論式に基づいた原子濃度分布形成の数値シミュレーション手法を開発し，EM損傷のしきい電流密度を評価した。EMを利用したナノストラクチャー創製にあたり種々の電流入出力条件を考慮した原子濃度分布形成のシミュレーションが可能になり，これによる創製効率のよい電流入出力条件の検討が期待できる。
K. Sasagawa, A. Kirita, T. Abo and A. H. Hassan, "Numerical Simulation of Threshold Current Density of Electromigration Damage in Cu Interconnect Tree," Proc. ASME 2009 InterPACK Conf., July 19-23, 2009, San Francisco, California, USA (CD-ROM), (2009), Paper No. IPACK2009-89229.
６． エレクトロマイグレーションによる原子排出孔の形状と寸法を制御することで，Al マイクロベルトの製作に初めて成功。
Y. B. Lu and M. Saka, "Fabrication of Al Micro-Belts by Utilizing Electromigration," Mater. Lett., Vol.63, No.26, (2009), pp.2227-2229.
７． エレクトロマイグレーションによるAl マイクロ材料の創製に及ぼすAl 純度の影響を明らかにした。
Y. B. Lu and M. Saka, "Effect of Purity on the Fabrication of Al Micro/Thin-Materials by Utilizing Electromigration," Mater. Lett., Vol.63, No.27, (2009), pp.2294-2296.
８． 近接させた負荷プローブを用いて直径１μｍ以下の金属極細線に局所的に高い応力場を生じさせ，得られた荷重−変位曲線より細線のヤング率と降伏応力を求める，新しい材料試験方法を報告した。
H. Tohmyoh, M.A.S. Akanda, H. Takeda, M. Saka, "Determination of Elastic-Plastic Properties of Metallic Thin Wires by Small-Span Bending Test," Proc. 12th Int. Conf. Fracture, July 12-17, 2009, Ottawa, Canada (CD-ROM), (2009), Paper No. T22.010.
９． ジュール熱溶接を利用して金属極細線を自在にマニピュレーションする手法について報告した。また，このマニピュレーション手法により金属マイクロコイルを作製し，巻き数を増加させることで発生磁場を増強できることをデモンストレーションした。
H. Tohmyoh, H. Takeda, M.A.S. Akanda, M. Saka, "Manipulation of Thin Metallic Wires by Joule Heat Joining," Proc. ASME 2009 InterPACK Conf., July 19-23, 2009, San Francisco, California, USA (CD-ROM), (2009), Paper No.IPACK2009-89122.
１０． 静電容量変位センサとステンレスはりとを組み合わせて，測定荷重範囲が変更可能で，各種顕微鏡への組み込みが可能な高分解能コンパクト荷重センサの開発について報告した。
M.A.S. Akanda, H. Tohmyoh, M. Saka, "High Sensitive Microforce Measurement by a Range Variable Sensor," Proc. Eurosensors XXIII Conf., September 6-9, Lausanne, Switzerland, Vol.1, Iss.1, (2009), pp.871-874.
１１． オーガナイズドセッション 「金属ナノ材料の創製と展開」 （日本機械学会 2009年度年次大会， 岩手大学，9月15日） を開催。
当該セッションを開催し，以下の成果を発表した。
H. Tohmyoh, H. Takeda and M. Saka, "Fabrication of a Free-Standing Pt Micro-Ring on Electrode Chip as a Small Magnetic Source," J. Micromech. Microeng., Vol.19, Iss.8, (2009), 085013, 5pages. （平成２０年度 研究実績１１の成果を含むJournal論文である）
１３． ジュール熱溶接によるマニピュレーション手法を利用して，直径８００ｎｍの白金極細線の特性評価のための実験系を構築し，当該細線の機械的および電気的特性を取得することに成功した。
燈明泰成, 武田大尚, アカンダ モハマド アブドゥス サラム, "ジュール熱による接合を利用した白金極細線の機械的および電気的特性評価," 材料, Vol.58, No.10, (2009), pp.847-852.
１４． 直径1ミクロン以下の金属極細線同士の接触部に電流を付与して発生するジュール熱により、接触部を溶融、凝固し、細線同士を自己完了的に溶接する新しい手法の開発に成功した。また、一定電流の付与下で自発的に溶接過程が進行する溶接条件を規定するパラメータを提案、実証することで、当該溶接手法の適用範囲を大幅に拡張することに成功した。なおこの成果は2009年10月5日付で東北大学より報道機関各位へプレスリリースを行った（http://www.tohoku.ac.jp/japanese/2009/10/press20091006-01.html）。
H. Tohmyoh and S. Fukui, “Self-Completed Joule Heat Welding of Ultrathin Pt Wires,” Phys. Rev. B, Vol.80, Iss.15, (2009), pp.155403-1-155403-7.
１５． 幾何学的形状を変更可能な二重はりと静電容量センサとを組み合わせて、10nN の分解能を有するワイドレンジ荷重センサを開発した。
M.A.S. Akanda, H. Tohmyoh and M. Saka, “An Integrated Compact Unit for Wide Range Micro-Newton Force Measurement,” J. Solid Mech. Mater. Eng., Vol.4, No.4, (2010), pp.545-556.
（平成21年度 研究実績１０に関連し，当該センサ開発の詳細を記述したJournal 論文である）
平成２２年度は申請時に計画した研究を遂行しており，以下の研究実績を得ている。
１． 表面に自然酸化膜が形成され難いAg薄膜の表面に人工保護膜を形成し，直径200nm 程度のAg ウィスカを積極的に生成することに成功した。また，表面人工膜の厚さや材質を変更することで，Ag 薄膜の表面におけるヒロック等の原子排出物の生成を完全に抑制することにも成功した。
H. Tohmyoh, M. Yasuda and M. Saka, "Controlling Ag Whisker Growth by Using Very-Thin Metallic Films," Scripta Mater., Vol.63, Iss.3, (2010), pp.289-292.
２． エレクトロマイグレーションによるナノ構造材料創製のシミュレーションを Al の種々の形状のサンプルに適用し，同材料の効率的な創製について理論的に議論した。
K. Sasagawa, A. Kirita, S. Fukushi and M. Saka, "Simulation of Nanostructure Production by Electromigration Considering Specimen's Shape," J. Nanosci. Nanotechnol., Vol.10, No.9, (2010), pp.6036-6040.
３． 材料の純度が低いほどエレクトロマイグレーションを起こしやすいことを高純度アルミ薄膜を用いた試験により明らかにし，エレクトロマイグレーションによるナノ材料創製の基盤的知見を得た。
X. Zhao, M. Saka, M. Yamashita and F. Togoh, "Evaluation of the Dominant Factor for Electromigration in Sputtered High Purity Al Films," Trans. ASME, J. Electron. Packaging, Vol.132, No.2, (2010), pp.021003-1 - 021003-9.
（平成21年度 研究実績２に関連し，さらに充実させたJournal 論文である）
４． 異種金属を被覆したナノワイヤのコイル形成において，比較的低融点であるコア部（ナノワイヤ）のみをクリープ流動させることにより，コイル形成の駆動力である被覆金属の残留ひずみを最大限に発揮させた高効率のナノコイル形成手法を提案した。
Y. Toku and M. Muraoka, "Helical Formation of Coated Nanowires by Viscous Flow of Core Material," Nanosci. Nanotechnol. Lett., Vol.2, No.3, (2010), pp.197-202.
５． マイクロ波原子間力顕微鏡プローブにマイクロ波導波路を構築するための，ナノコーティング材料および手法を改善し，マイクロ波信号の検出感度を向上させた。
A. Hosoi, M. Hamada, A. Fujimoto and Y. Ju，"Properties of M-AFM Probe Affected by Nanostructural Metal Coatings," Microsyst. Technol., Vol.16, (2010), pp.1233-1237.
６． オーガナイズドセッション 「金属ナノ材料の創製と展開」 （日本機械学会 2010年度年次大会， 名古屋工業大学，9月6日） を開催。
当該セッションを開催し，以下の成果を発表した。
M.A.S. Akanda, H. Tohmyoh and M. Saka, "Precision Friction Measurement between Ultrathin Wire and Microprobe by a Special Microforce Sensor," Procedia Engineering (Proc. Eurosensors XXIV, September 5-8, Linz, Austria), Vol.5, (2010), pp.256-259.
８． 荷重センサ，ピエゾステージ，マニピュレータ，等からなる試験機構と，高分解能顕微鏡とを組み合わせた微小対象物の機械的特性取得のための新しい顕微鏡システムについて報告した。
H. Tohmyoh, M.A.S. Akanda and M. Saka, "A Microscope System for Characterization of Mechanical Properties of Small-Scaled Objects," Proc. ESTC2010, September 13-16, Berlin, Germany (CD-ROM), (2010), pp.1-4.
９． アノード端に微小孔を有する保護膜被覆型Al配線において，微小孔の深さを制御することで大量のAl 原子を効率よく排出できることを見出し，従来より長いAl ワイヤ（長さ 336μm，直径0.8〜4μm）や大きなAl マイクロ構造体を作製することに成功した。
Y. Lu, H. Tohmyoh and M. Saka, "Forming Microstructures by Controlling the Accumulation and Discharge of Al Atoms by Electromigration," J. Phys. D: Appl. Phys., Vol.44, No.4, (2011), 045501 (7pages).
１０． 本研究課題の遂行により得られた成果を基に，金属マイクロ・ナノ材料の創製，機械的・電気的特性評価，加工・応用，等の，我が国から世界に発信する特色ある手法と基盤について記述した著書を出版した。
"Metallic Micro and Nano Materials - Fabrication with Atomic Diffusion," M. Saka (Ed.), M. Saka, K. Sasagawa, M. Muraoka, H. Tohmyoh and Y. Ju (Authors), Springer, (2011).
１１． 集中質量型カンチレバーを用いて，厚さ10 nm以下の薄膜の弾性係数を，基板の影響なしに精度よく計測できる手法を提案した。
M. Muraoka and S. Komatsu, "Characterization of Films with Thickness Less than 10 nm by Sensitivity-Enhanced Atomic Force Acoustic Microscopy," Nanoscale Res. Lett., Vol.6, No.1, (2011), pp.33 (1 - 6).
１２． 集中質量型カンチレバーの２次振動モードを利用し，探針の超音波摺動によるナノ加工法を考案した。
M. Muraoka, "Nanomachining by Rubbing at Ultrasonic Frequency Under Controlled Shear Force," J. Nanosci. Nanotechnol., Vol.11, No.3, (2011), pp.1986-1990.
１３． 金属極細線の弾塑性特性を取得するための微小スパン曲げ試験方法を考案した。ジュール熱溶接により固定した白金極細線（公称直径 625 nm）に対して局所的に負荷して得た荷重−変位曲線を有限要素法解析により再現することで，当該細線の弾性率，降伏応力，加工硬化係数を算出することに成功した。
H. Tohmyoh, M.A.S. Akanda and M. Saka, "Small-Span Bending Test for Determination of Elastic-Plastic Properties of Ultrathin Pt Wires," Appl. Phys. A, Vol.103, Iss.2, (2011), pp.285-291.
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課題番号： 18106003
研究期間： 平成18年4月〜平成23年3月
研究組織： 代表者： 坂 真澄 東北大学大学院工学研究科 教授
分担者： 笹川 和彦 弘前大学大学院理工学研究科 教授
分担者： 巨 陽 名古屋大学大学院工学研究科 教授
分担者： 村岡 幹夫 秋田大学工学資源学部 准教授
分担者： 燈明 泰成 東北大学大学院工学研究科 准教授
研究目的：
本研究は，原子拡散と再配列の現象を論理的に取り扱い，これを制御する科学基盤を確立し，これまでに実現されていない秩序度の高い金属ナノマテリアルの創製を実現すると共に，その物理的特性を正確に把握することで創製したナノマテリアルの展開・応用を図るものである。高密度電子流を駆動力として，原子を拡散させ，拡散した原子を意図した特定箇所に局所的に集約して高い圧縮応力を発生させ，圧縮応力を急激に解放することに伴って原子を排出して再配列させるという独自の発想に基づく原子制御の科学基盤を構築する。 ５年継続により，（T）原子拡散と再配列制御の理論的考察，（U）各種金属ナノマテリアルの創製，（V）機械的・電気的・磁気的特性評価，（W）ナノマテリアルの展開・応用，（X）ナノマテリアル創製指針の策定と量産技術化，なる５項目の研究を推進し，従来にない洗練された金属ナノマテリアル創製法の基盤確立とその展開・応用を目指す。
【各年度の研究実績】
平成18年度 研究実績
平成19年度 研究実績
平成20年度 研究実績
平成21年度 研究実績
平成22年度 研究実績
| 【平成１８年度 研究実績】 |
平成１８年度は申請時に計画した研究を遂行し，以下の研究実績を得た。
１．原子拡散と再配列制御の理論的考察
エレクトロマイグレーションによる原子流束発散に着目したナノワイヤ創製の数値シミュレーション手法を構築した。試験片の損傷，創製速度および創製量に及ぼす創製条件の影響を検討し，ナノワイヤ創製のための支配因子を明らかにした。
２．ナノワイヤ創製の基盤構築
アノード端にスリットを入れたSiO2被覆型のAl薄膜配線を作製してAl原子を局所的に集約することに成功した。また実験より，項目１で構築したシミュレーションの妥当性を検証した。
３．ナノコイル／ナノリング創製の実現
直径数10nmのCuナノワイヤにPt膜を不均一に蒸着して熱応力誘起の曲げモーメントを発生させ，外径約400nmの金属ナノコイル（一巻分）を実現した。
４．ナノワイヤの機械的特性評価
数値解析によりナノワイヤを降伏させるための最適な負荷形態を見出した。得られた知見を踏まえ，ナノワイヤの弾性定数および降伏強さ等の機械的特性値を評価するナノマテリアル試験機の試作に着手した。
５．４探針型原子間力顕微鏡プローブによる電気的特性評価
当該プローブの電極寸法および形状の最適化を行い，幅400nmなる微細配線の局所領域における電流−電圧関係を計測し，導電率を定量評価することに成功した。
６．超音波励振磁性振子による電気的特性評価
Cu, Au, Ptナノ薄膜内に高密度な渦電流場を形成し，導電率を定性的に評価することに成功した。さらに，カンチレバー先端に付着させたナノワイヤに局所的な渦電流場を形成して同ワイヤを評価する手法について検討した。
７．ジュール発熱を利用したナノワイヤの接合
Ptナノワイヤ同士を対向させた接触部に直流電流を付与して生じる発熱を利用して同ワイヤ同士を接合することに成功した。また異種金属同士のナノ接合や，ナノワイヤの切断にも成功した。
| 【平成１９年度 研究実績】 |
平成１９年度は申請時に計画した研究を遂行し，以下の研究実績を得た。
１．ナノワイヤの機械的特性評価
ナノワイヤの機械的特性を評価するナノマテリアル試験機を開発した。近接させた2本の荷重プローブによりPtワイヤの局所的な領域に高い応力を生じさせて収録した荷重−変位曲線を，数値解析により再現することで，同ワイヤの弾塑性特性を評価することに成功した。
２．ナノチューブ創製の実現
アノード端に微小孔を有する保護膜被覆型Al配線において，肉厚数10nmのAlナノチューブの形成を確認した。また，Alナノワイヤが連続的に成長することを世界で初めてその場観察することに成功した。さらに，アノード端の温度を変化させて微小孔よりAl原子を制御して排出することで，ナノワイヤ，マイクロボールを選択的に作製することを可能にした。
３．ナノコイルのばね特性評価
残留ひずみの導入によりCuナノワイヤをらせん状に曲げて，ナノコイルを作製する手法を提案し，世界最小となる金属被覆ナノコイル（素線径：70nm，コイル径：300nm）を実現した。原子間力顕微鏡プローブを用いてCuナノワイヤに座屈曲げ変形を誘起して計測した弾性率と，ナノコイルの幾何学的形状より，同ナノコイルのばね特性を評価した。
４．マイクロコイルの磁気特性評価
金属ナノコンタクト部での溶融現象を支配する因子を見出し，高確度化したナノワイヤの接合，切断手法を用いて，電極チップ上に自立した金属マイクロコイル（素線径：800nm、コイル径：10mm、巻数：１）を作製した。磁場中で同コイルに通電したところ，コイルは垂直に揺動し，磁場発生源およびアクチュエータとしての機能を確認した。 その他，Cuナノワイヤの破断強度がCuの理想強度（弾性率／10）に近いことを実証した。また，ナノ構造GaAsマイクロ波プローブを計画に先駆け実現している。
さらに，詳細を以下に報告する。
（１） 金属ナノワイヤをストレスマイグレーションにより世界最高速かつ大量に創製する方法を開発。金属ナノワイヤの太さ，長さの制御も実現。
M. Saka, F. Yamaya and H. Tohmyoh, Scripta Materialia, Vol.56, Iss.12, (2007), pp.1031-1034.
（２） 東北大学新技術説明会（東北大学・JST主催）で原理と展開について説明。
「金属ナノワイヤを低コストで作製･加工・溶接する技術」，平成19年6月8日，JSTホール，東京
（３） 「金属ナノワイヤの創製と応用のためのいくつかの基礎技術」について報告（坂 真澄，笹川和彦，巨 陽，村岡幹夫，燈明泰成）。
（独）日本学術振興会 将来加工技術第136委員会 第21回研究会，平成19年8月24日
（４） 金属ナノワイヤに直流電流を付与して生じるジュール熱を利用して，ナノワイヤを接合・切断する手法を提案。ジュール熱を利用した導電性ナノワイヤの接合・切断手法を世界で初めて提案したもの。
H. Tohmyoh, T. Imaizumi, H. Hayashi and M. Saka, Scripta Materialia, Vol.57, Iss.10, (2007), pp.953-956.
（５） ナノワイヤの形状と導電率の同時計測を世界で初めて実現。これにより幅400ナノメートル，厚さ350ナノメートルのアルミニウムワイヤの導電率を４探針型原子間力顕微鏡プローブを用いた手法により計測することに成功。
B.-F. Ju, Y. Ju and M. Saka, J. Phys. D: Appl. Phys. Vol.40, No.23, (2007), pp.7467-7470.
（６） 金属ナノワイヤを残留ひずみの導入によりらせん状に曲げてナノコイルを作製する手法の開発に成功。これにより単一金属によるナノコイル作製の報告例が世界的にない状況において，金属被覆ナノコイルとして素線の太さが世界最小（70ナノメートル）で，かつコイル径も世界最小（300ナノメートル）のナノコイル（CuO軸にCrを被覆）を実現。
M. Muraoka, N. Settsu and M. Saka, J. Nanoscience and Nanotechnology, Vol.8, No.1, (2008), pp.439-442.
（７） ストレスマイグレーションにより世界で初めて意図した箇所に銅ナノワイヤを作製することに成功。
N. Settsu, M. Saka and F. Yamaya, Strain, Vol.44, Iss.2, (2008), pp.201-208.
（８） GaAs の使用によるナノ構造マイクロ波プローブの開発に成功。世界初のマイクロ波AFMプローブの開発に成功したもの。
Y. Ju, T. Kobayashi and H. Soyama, "Development of a Nanostructural Microwave Probe Based on GaAs," Microsystem Technologies, Vol.14, No.7, (2008), pp.1021-1025.
（９） エレクトロマイグレーションによるAl微細ワイヤの生成のその場観察 （動画撮影）に成功。これにより，Al微細ワイヤが連続的に生成することを世界で初めて解明。
 （映像では破線円内部分に注目：サンプル下方 から上方に向けて通電。） |
動画スタート (撮影時間：約３分) （動画開始までやや時間がかかる場合があります。） ・Windows Media Player などで再生可 ■動画撮影日：2008年1月18日 |
（10） 直流電流下の熱伝導問題を理論的に特徴化することに成功した。エレクトロマイグレーション研究の基盤を与えるものである。
M. Saka, Y. X. Sun and S. R. Ahmed, "Heat Conduction in a Symmetric Body Subjected to a Current Flow of Symmetric Input and Output," Int. J. Thermal Sciences, Vol.48, Iss.1, (2009), pp.114-121, (Available online 18 April 2008).
| 【平成２０年度 研究実績】 |
平成２０年度は申請時に計画した研究を遂行しており，以下の研究実績を得ている。
１． エレクトロマイグレーションを利用したAlマイクロ球の作製に世界で初めて成功。
Y. X. Sun, H. Tohmyoh and M. Saka, "Fabrication of Al Micro-Spheres by Utilizing Electromigration," J. Nanosci. Nanotechnol., Vol.9, No.3, (2009), pp.1972-1975.
２． 国際フォーラムにおいて基調講演。
M. Saka, H. Tohmyoh, M. Muraoka,Y. Ju and K. Sasagawa, "Formation of Metallic Micro/Nanomaterials by Utilizing Migration Phenomena and Enhancement of Their Functions," The 6th International Forum on Advanced Material Science and Technology (IFAMST 2008), June 12-14, 2008, Hong Kong, China.
M. Saka, H. Tohmyoh, M. Muraoka,Y. Ju and K. Sasagawa, "Formation of Metallic Micro/Nanomaterials by Utilizing Migration Phenomena and Techniques for Their Application," Mater. Sci. Forum, Vol.614, (2009), pp.3-9.
基調講演をする坂 真澄教授
|
３． エレクトロマイグレーションによるAlマイクロコイル，マイクロループの創製について発表。
Y. Sun and M. Saka, "Fabrication of Al Micro-Coil and Loop by Utilizing Electromigration," Proc. 2nd Integration & Commercialization of Micro & Nanosystems International Conference & Exhibition (MicroNano2008), ASME, June 3-5, 2008, Hong Kong, China (CD-ROM), (2008).
４． エレクトロマイグレーションによるナノストラクチャー創製の数値シミュレーションを実施することにより，試験片の形状が及ぼす創製速度と体積への影響を初めて明らかにした。この手法により高効率なナノストラクチャー創製のための試験片形状の検討を行うことが可能になった。
K. Sasagawa, A. Kirita, M. Saka and S. Fukushi, "Simulation of Nanostructure Production by Electromigration Considering Specimen's Shape," Proc. 1st International Conference from Nanoparticles & Nanomaterials to Nanodevices & Nanosystems (1st IC4N-2008), June 16-18, 2008, Halkidiki, Greece, (2008), p.185.
K. Sasagawa, A. Kirita, S. Fukushi and M. Saka, "Simulation of Nanostructure Production by Electromigration Considering Specimen's Shape," J. Nanosci. Nanotechnol., (2009), in press.
５． 大会テーマセッション 「金属ナノ材料の創製と展開」 （日本機械学会 2008年度年次大会 横浜 8月6日） を開催。
当該セッションを開催し，以下の成果を発表した。
(1)
エレクトロマイグレーションを用いたナノストラクチャー創製の数値シミュレーション手法の開発，笹川和彦，福士翔大，Yuxin Sun，坂 真澄
(2) 試験片形状の異なるエレクトロマイグレーション・ナノストラクチャー創製の数値シミュレーション，笹川和彦，桐田聡彦，福士翔大
(3) ストレスマイグレーションによる意図した箇所へのAgナノ材料の創製，安田 真，坂 真澄
(4) エレクトロマイグレーションによるAl微細コイルの作製，スン ユシン，坂 真澄
(5) マイグレーションを活用した金属ナノ/マイクロ材料の創製，坂 真澄
(6) GaAsを用いたマイクロ波AFMプローブの開発，濱田基弘，巨 陽
(7) ジュール熱による金属極細線の溶融現象について，燈明泰成，今泉卓也，坂 真澄
(8) 金属細線の弾塑性特性決定のための新規評価手法，アカンダ Md. アブドゥス サラム，燈明泰成，坂 真澄
(9) ナノワイヤの機械特性試験―ヤング率と破断強度の評価，戸部涼平，村岡幹夫
(2) 試験片形状の異なるエレクトロマイグレーション・ナノストラクチャー創製の数値シミュレーション，笹川和彦，桐田聡彦，福士翔大
(3) ストレスマイグレーションによる意図した箇所へのAgナノ材料の創製，安田 真，坂 真澄
(4) エレクトロマイグレーションによるAl微細コイルの作製，スン ユシン，坂 真澄
(5) マイグレーションを活用した金属ナノ/マイクロ材料の創製，坂 真澄
(6) GaAsを用いたマイクロ波AFMプローブの開発，濱田基弘，巨 陽
(7) ジュール熱による金属極細線の溶融現象について，燈明泰成，今泉卓也，坂 真澄
(8) 金属細線の弾塑性特性決定のための新規評価手法，アカンダ Md. アブドゥス サラム，燈明泰成，坂 真澄
(9) ナノワイヤの機械特性試験―ヤング率と破断強度の評価，戸部涼平，村岡幹夫
(10)
ナノワイヤの付着力，村岡幹夫，戸部涼平
６．
エレクトロマイグレーションの制御による金属微細ワイヤと金属微小ボールの選択的創製に世界に先駆け成功。M. Saka, K. Kato, H. Tohmyoh and Y. Sun, "Controlling Electromigration to Selectively Form Thin Metal Wires and Metal Microspheres," J. Mater. Res., Vol.23, No.11, (2008), pp.3122-3128.
７． 厚さ100nmなる各種金属薄膜上で磁気プローブを振動させ，薄膜内部に形成される渦電流に起因したプローブの位相変化（渦電流損失）が薄膜の導電率に比例することを報告。
H. Tohmyoh, M. Muraoka, K. Sakomizu, H. Takeda and M. Saka, "Non-Contact Evaluation of Electrical Conductivity of Thin Metallic Films by Eddy Current Microscopy," Proc. 2008 M&M International Symposium for Young Researchers, March 9-10, 2008, Shirahama, Japan, (2008), pp.269-272.
８． 人工酸化膜試験片を考案し，ストレスマイグレーションにより Ag ナノワイヤ，および Ag ヒロック（球形，三角形）の創製に成功した成果を発表。
M. Saka, M. Yasuda, H. Tohmyoh and N. Settsu, "Fabrication of Ag Miromaterials by Utilizing Stress-Induced Migration," Proc. 2nd Electronics System-Integration Technology Conference (ESTC 2008), September 1-4, 2008, Greenwich, London, UK, Vol.1, (2008), pp.507-510.
９． 多機能原子間力顕微鏡導波プローブを開発し，プローブ先端におけるマイクロ波信号の測定に初めて成功したもの。
Y. Ju, M. Hamada, T. Kobayashi and H. Soyama, "A Nanostructural Microwave Probe Used for Atomic Force Microscope," Proc. Symposium on Design, Test, Integration and Packaging of MEMS/MOEMS 2008, April 9-11, 2008, Nice, French Riviera, France, (2008), pp.158-161.
Y. Ju, M. Hamada, T. Kobayashi and H. Soyama, "A Microwave Probe Nanostructure for Atomic Force Microscopy," Microsyst. Technol., Vol.15, No.8, (2009), pp.1195-1199.
１０． 光学顕微鏡下で行えるナノワイヤの機械的特性試験法を開発した。透過照明時のナノワイヤの回折像に注目すれば，数十nmのナノワイヤの直径や曲げ形状を計測できることを初めて明らかにした。これにより，従来の電子顕微鏡下の試験と異なり，湿度環境などの種々の試験雰囲気で試験が可能となる。また，例として直径100nm以下の酸化銅ナノワイヤにおけるヤング率と強度の直径依存性を明らかにした。
M. Muraoka and R. Tobe, "Mechanical Characterization of Nanowires Based on Optical Diffraction Images of the Bent Shape," J. Nanosci. Nanotechnol., in press.
１１． ジュール熱による接合手法を用いて直径650nmのPt細線に局所的な塑性変形を誘起し、電極チップ上に片持ち支持されたマイクロリングを作製した。また、永久磁石との組み合わせで同リング構造体にアクチュエーション機能を付与することに成功している。
 |
動画スタート (撮影時間：約10秒) （動画開始までやや時間がかかる場合があります。） ・Windows Media Player などで再生可 ■動画撮影日：2008年7月17日 |
電流のON/OFFにより、同リングは上下方向に揺動する。）
上記に関する以下の論文を，日本機械学会M&M2008 材料力学カンファレンス（2008年9月16〜18日：立命館大学びわこ・くさつキャンパス）にて発表し，講演者の武田（修士２年）が，若手優秀講演フェロー賞 を受賞した。
・武田大尚，燈明泰成，坂 真澄，金属マイクロコイルの作製と微小磁場発生，日本機械学会M&M2008 材料力学カンファレンス講演論文集(CD-ROM)，(2009).
１２． 金属ナノワイヤを高確度に接合，切断するため，電流，ワイヤ長さおよび断面積と，熱的境界条件を補正する関数からなるパラメータを提案し，ワイヤの接触部における溶融現象が同パラメータにより支配されることを実証した。
H. Tohmyoh, "A Governing Parameter for the Melting Phenomenon at Nano-Contacts by Joule Heating and Its Application to Joining Together Two Thin Metallic Wires," J. Appl. Phys., Vol.105, (2009), pp.014907-1 - 014907-9.
１３． 発明の名称「原子の拡散を制御することによる金属ナノワイヤの製造方法およびこの方法により製造する金属ナノワイヤ」 が特許査定となった。
・特許出願番号： 特願2004-264960
・特許登録番号： 第4257429号
・特許登録日： 2009年2月13日
・特許出願人： 国立大学法人東北大学
・発明者： 坂 真澄，長谷川昌孝，上田亮介
１４． 以下の論文を，日本機械学会東北支部第４４期総会・講演会（平成21年3月13日）にて発表した。 （いずれも同講演会講演論文集No.2009-1 に掲載）
(1)
ジュール熱を用いた金属極細線の操作と微小電磁気素子の作製，武田大尚，燈明泰成，pp.34-35.
(本論文は，日本機械学会東北支部独創研究学生賞 を受賞した。)
(2) Testing of the Electromigration Resistance of High Purities Al Based on Atomic Flux Divergence Method, X. Zhao, M. Saka, M. Yamashita and F. Togoh, pp.42-43.
(3) ストレスマイグレーションによって形成されるAgナノ材料の成長過程の観察，安田 真，燈明泰成，坂 真澄，pp.66-67.
１５．
中国における以下の各大学において講演を行った。関連記事(本論文は，日本機械学会東北支部独創研究学生賞 を受賞した。)
(2) Testing of the Electromigration Resistance of High Purities Al Based on Atomic Flux Divergence Method, X. Zhao, M. Saka, M. Yamashita and F. Togoh, pp.42-43.
(3) ストレスマイグレーションによって形成されるAgナノ材料の成長過程の観察，安田 真，燈明泰成，坂 真澄，pp.66-67.
・講演題目： Formation of Metallic Micro/Nanomaterials by Utilizing Migration Phenomena and Techniques for Their Application
・講演場所： 浙江大学（3月19日）および同済大学（3月20日）
・講演場所： 浙江大学（3月19日）および同済大学（3月20日）
| 【平成２１年度 研究実績】 |
平成２１年度は申請時に計画した研究を遂行しており，以下の研究実績を得ている。
１． エレクトロマイグレーションによるナノストラクチャー創製の数値シミュレーション手法を初めて開発した。この手法の実施により電流と温度の創製条件が異なる場合のナノストラクチャー創製速度と体積の変化を捉えることができ，創製メカニズムを考慮したナノストラクチャー創製条件の検討を行うことが可能になった。
K. Sasagawa, S. Fukushi, Y. Sun and M. Saka, "A Numerical Simulation of Nanostructure Formation Utilizing Electromigration," J. Electron. Mater., Vol.38, No.10, (2009), pp.2201-2206.
２． Al における純度の違いによるエレクトロマイグレーションのおき易さの違いを明らかにし，支配因子について評価した。
X. Zhao, M. Saka, M. Yamashita and F. Togoh, "Evaluating the Dominant Factor for Electromigration in High Purities Al Film Deposited by Sputtering," Proc. ASME 2009 InterPACK Conf., July 19-23, 2009, San Francisco, CA, USA (CD-ROM), (2009).
３． FIB加工によりマイクロ波AFMプローブ探針先端のナノ構造を改良し，AFM計測の空間分解能およびマイクロ波信号の測定感度を向上させることに成功した。
Y. Ju, M. Hamada, A. Hosoi and A. Fujimoto, "Optimization of the Tip of Microwave AFM Probe," Proc. 2009 ASME/Pacific Rim Technical Conference and Exhibition on Integration and Packaging of MEMS, NEMS, and Electronic Systems (CD-ROM), (2009), IPACK2009-89252.
４． 電子デバイスのプリント基板に用いられる銅配線を対象として，エレクトロマイグレーション（EM) 損傷の支配パラメータ理論式に基づいた最適化手法を用いることにより，EM特性を示す定数を実験的に導出した。EMを利用し銅のナノストラクチャーを創製する場合の条件設定に関して重要な知見を得た。
K. Sasagawa, T. Gomyo and A. Kirita, "Derivation of Electromigration Characteristic Constants of Metal Line Used in Electronic Devices," Proc. 12th Int. Conf. Fracture, July 12-17, 2009, Ottawa, Canada (CD-ROM), (2009), Paper No. T22.009.
５． 電流入出力の端子接続を３つ以上有するツリー構造の銅配線を対象に，エレクトロマイグレーション(EM) 損傷の支配パラメータ理論式に基づいた原子濃度分布形成の数値シミュレーション手法を開発し，EM損傷のしきい電流密度を評価した。EMを利用したナノストラクチャー創製にあたり種々の電流入出力条件を考慮した原子濃度分布形成のシミュレーションが可能になり，これによる創製効率のよい電流入出力条件の検討が期待できる。
K. Sasagawa, A. Kirita, T. Abo and A. H. Hassan, "Numerical Simulation of Threshold Current Density of Electromigration Damage in Cu Interconnect Tree," Proc. ASME 2009 InterPACK Conf., July 19-23, 2009, San Francisco, California, USA (CD-ROM), (2009), Paper No. IPACK2009-89229.
６． エレクトロマイグレーションによる原子排出孔の形状と寸法を制御することで，Al マイクロベルトの製作に初めて成功。
Y. B. Lu and M. Saka, "Fabrication of Al Micro-Belts by Utilizing Electromigration," Mater. Lett., Vol.63, No.26, (2009), pp.2227-2229.
７． エレクトロマイグレーションによるAl マイクロ材料の創製に及ぼすAl 純度の影響を明らかにした。
Y. B. Lu and M. Saka, "Effect of Purity on the Fabrication of Al Micro/Thin-Materials by Utilizing Electromigration," Mater. Lett., Vol.63, No.27, (2009), pp.2294-2296.
８． 近接させた負荷プローブを用いて直径１μｍ以下の金属極細線に局所的に高い応力場を生じさせ，得られた荷重−変位曲線より細線のヤング率と降伏応力を求める，新しい材料試験方法を報告した。
H. Tohmyoh, M.A.S. Akanda, H. Takeda, M. Saka, "Determination of Elastic-Plastic Properties of Metallic Thin Wires by Small-Span Bending Test," Proc. 12th Int. Conf. Fracture, July 12-17, 2009, Ottawa, Canada (CD-ROM), (2009), Paper No. T22.010.
９． ジュール熱溶接を利用して金属極細線を自在にマニピュレーションする手法について報告した。また，このマニピュレーション手法により金属マイクロコイルを作製し，巻き数を増加させることで発生磁場を増強できることをデモンストレーションした。
H. Tohmyoh, H. Takeda, M.A.S. Akanda, M. Saka, "Manipulation of Thin Metallic Wires by Joule Heat Joining," Proc. ASME 2009 InterPACK Conf., July 19-23, 2009, San Francisco, California, USA (CD-ROM), (2009), Paper No.IPACK2009-89122.
１０． 静電容量変位センサとステンレスはりとを組み合わせて，測定荷重範囲が変更可能で，各種顕微鏡への組み込みが可能な高分解能コンパクト荷重センサの開発について報告した。
M.A.S. Akanda, H. Tohmyoh, M. Saka, "High Sensitive Microforce Measurement by a Range Variable Sensor," Proc. Eurosensors XXIII Conf., September 6-9, Lausanne, Switzerland, Vol.1, Iss.1, (2009), pp.871-874.
１１． オーガナイズドセッション 「金属ナノ材料の創製と展開」 （日本機械学会 2009年度年次大会， 岩手大学，9月15日） を開催。
当該セッションを開催し，以下の成果を発表した。
(1)
試験片の損傷を考慮したエレクトロマイグレーションによる金属ナノストラクチャー創製の数値シミュレーション，笹川和彦，桐田聡彦，阿保雄大，アブドル ハフィズ
(2) エレクトロマイグレーションにおける原子排出口の制御による種々の形状のAlマイクロ/ナノ材料の創製，鹿 業波，坂 真澄
(3) エレクトロマイグレーションによるAl原子排出のその場観察，野辺佑樹，燈明泰成，坂 真澄
(4) スパッタ法で成膜した高純度Al 薄膜におけるエレクトロマイグレーションの支配因子の評価，趙 旭，坂 真澄，山下満男，都甲文亨
(5) ストレスマイグレーションによるAg ヒロック生成に及ぼす保護膜の影響，安田 真，燈明泰成，坂 真澄
(6) マイクロ波原子間力顕微鏡プローブの開発および電気的特性の評価，藤本紹文，細井厚志，巨 陽
(7) 金属被膜ナノコイルの形成メカニズムに関する分子動力学的検討，村岡幹夫，岡田 生，足立高弘
(8) 集中質量型カンチレバーの接触共振による金属ナノ材料の弾性計測，村岡幹夫，勝又悠樹
(9) 金属極細線の引張および曲げ挙動，Akanda M. A. Salam，燈明泰成，坂 真澄
(2) エレクトロマイグレーションにおける原子排出口の制御による種々の形状のAlマイクロ/ナノ材料の創製，鹿 業波，坂 真澄
(3) エレクトロマイグレーションによるAl原子排出のその場観察，野辺佑樹，燈明泰成，坂 真澄
(4) スパッタ法で成膜した高純度Al 薄膜におけるエレクトロマイグレーションの支配因子の評価，趙 旭，坂 真澄，山下満男，都甲文亨
(5) ストレスマイグレーションによるAg ヒロック生成に及ぼす保護膜の影響，安田 真，燈明泰成，坂 真澄
(6) マイクロ波原子間力顕微鏡プローブの開発および電気的特性の評価，藤本紹文，細井厚志，巨 陽
(7) 金属被膜ナノコイルの形成メカニズムに関する分子動力学的検討，村岡幹夫，岡田 生，足立高弘
(8) 集中質量型カンチレバーの接触共振による金属ナノ材料の弾性計測，村岡幹夫，勝又悠樹
(9) 金属極細線の引張および曲げ挙動，Akanda M. A. Salam，燈明泰成，坂 真澄
(10)
ジュール熱接合を利用した極微小Pt/W熱電素子の作製，燈明泰成，武田大尚，坂 真澄
１２．
ジュール熱接合を利用して直径650nm のPt 極細線を操作し，同細線を直径の異なる芯材に巻き付けることで直径11 および30μm の自立型マイクロリングを作製することに成功した。さらに永久磁石と通電下にある同リング構造体との間に働く電磁気的相互作用を観察することで，マイクロリングからの極微小磁場の発生を確認した。H. Tohmyoh, H. Takeda and M. Saka, "Fabrication of a Free-Standing Pt Micro-Ring on Electrode Chip as a Small Magnetic Source," J. Micromech. Microeng., Vol.19, Iss.8, (2009), 085013, 5pages. （平成２０年度 研究実績１１の成果を含むJournal論文である）
１３． ジュール熱溶接によるマニピュレーション手法を利用して，直径８００ｎｍの白金極細線の特性評価のための実験系を構築し，当該細線の機械的および電気的特性を取得することに成功した。
燈明泰成, 武田大尚, アカンダ モハマド アブドゥス サラム, "ジュール熱による接合を利用した白金極細線の機械的および電気的特性評価," 材料, Vol.58, No.10, (2009), pp.847-852.
１４． 直径1ミクロン以下の金属極細線同士の接触部に電流を付与して発生するジュール熱により、接触部を溶融、凝固し、細線同士を自己完了的に溶接する新しい手法の開発に成功した。また、一定電流の付与下で自発的に溶接過程が進行する溶接条件を規定するパラメータを提案、実証することで、当該溶接手法の適用範囲を大幅に拡張することに成功した。なおこの成果は2009年10月5日付で東北大学より報道機関各位へプレスリリースを行った（http://www.tohoku.ac.jp/japanese/2009/10/press20091006-01.html）。
H. Tohmyoh and S. Fukui, “Self-Completed Joule Heat Welding of Ultrathin Pt Wires,” Phys. Rev. B, Vol.80, Iss.15, (2009), pp.155403-1-155403-7.
１５． 幾何学的形状を変更可能な二重はりと静電容量センサとを組み合わせて、10nN の分解能を有するワイドレンジ荷重センサを開発した。
M.A.S. Akanda, H. Tohmyoh and M. Saka, “An Integrated Compact Unit for Wide Range Micro-Newton Force Measurement,” J. Solid Mech. Mater. Eng., Vol.4, No.4, (2010), pp.545-556.
（平成21年度 研究実績１０に関連し，当該センサ開発の詳細を記述したJournal 論文である）
| 【平成２２年度 研究実績】 |
平成２２年度は申請時に計画した研究を遂行しており，以下の研究実績を得ている。
１． 表面に自然酸化膜が形成され難いAg薄膜の表面に人工保護膜を形成し，直径200nm 程度のAg ウィスカを積極的に生成することに成功した。また，表面人工膜の厚さや材質を変更することで，Ag 薄膜の表面におけるヒロック等の原子排出物の生成を完全に抑制することにも成功した。
H. Tohmyoh, M. Yasuda and M. Saka, "Controlling Ag Whisker Growth by Using Very-Thin Metallic Films," Scripta Mater., Vol.63, Iss.3, (2010), pp.289-292.
２． エレクトロマイグレーションによるナノ構造材料創製のシミュレーションを Al の種々の形状のサンプルに適用し，同材料の効率的な創製について理論的に議論した。
K. Sasagawa, A. Kirita, S. Fukushi and M. Saka, "Simulation of Nanostructure Production by Electromigration Considering Specimen's Shape," J. Nanosci. Nanotechnol., Vol.10, No.9, (2010), pp.6036-6040.
３． 材料の純度が低いほどエレクトロマイグレーションを起こしやすいことを高純度アルミ薄膜を用いた試験により明らかにし，エレクトロマイグレーションによるナノ材料創製の基盤的知見を得た。
X. Zhao, M. Saka, M. Yamashita and F. Togoh, "Evaluation of the Dominant Factor for Electromigration in Sputtered High Purity Al Films," Trans. ASME, J. Electron. Packaging, Vol.132, No.2, (2010), pp.021003-1 - 021003-9.
（平成21年度 研究実績２に関連し，さらに充実させたJournal 論文である）
４． 異種金属を被覆したナノワイヤのコイル形成において，比較的低融点であるコア部（ナノワイヤ）のみをクリープ流動させることにより，コイル形成の駆動力である被覆金属の残留ひずみを最大限に発揮させた高効率のナノコイル形成手法を提案した。
Y. Toku and M. Muraoka, "Helical Formation of Coated Nanowires by Viscous Flow of Core Material," Nanosci. Nanotechnol. Lett., Vol.2, No.3, (2010), pp.197-202.
５． マイクロ波原子間力顕微鏡プローブにマイクロ波導波路を構築するための，ナノコーティング材料および手法を改善し，マイクロ波信号の検出感度を向上させた。
A. Hosoi, M. Hamada, A. Fujimoto and Y. Ju，"Properties of M-AFM Probe Affected by Nanostructural Metal Coatings," Microsyst. Technol., Vol.16, (2010), pp.1233-1237.
６． オーガナイズドセッション 「金属ナノ材料の創製と展開」 （日本機械学会 2010年度年次大会， 名古屋工業大学，9月6日） を開催。
当該セッションを開催し，以下の成果を発表した。
(1)
ポーラスアルミナを用いたAu ナノワイヤの作製，
天野雅大，岩崎由佳，巨 陽
(2) エレクトロマイグレーションによるスプリット型アルミマイクロチューブの創製， 鹿 業波，坂 真澄
(3) コア流動法によるナノコイル形成の曲率制御， 徳 悠葵，村岡幹夫
(4) 異なる創製条件下のエレクトロマイグレーションによる金属ナノストラクチャー創製の数値シミュレーション， 笹川和彦，阿保雄大，鵜沼 潤
(5) 銀ナノワイヤのマニピュレーションと溶接， 福井里留，燈明泰成，坂 真澄
(6) Behavior of Sliding Friction of Very Thin Pt Wire Against Local Contacts of Two Opposite Probes, M.A.S. Akanda, H. Tohmyoh and M. Saka
(7) Modifying the Structure of Micro-Wave AFM Probe for Improving the Sensitivity in the Measurement of Electrical Properties, L. Zhang, Y. Ju, A. Hosoi and A. Fujimoto
７．
タングステン針により白金極細線に曲げ荷重を負荷した状態で極細線をしゅう動させ，極細線とタングステン針との接触問題における接触力と摩擦力とを高分解能荷重センサにより計測することで，同接触部における動摩擦係数と静摩擦係数とを算出することに成功した。(2) エレクトロマイグレーションによるスプリット型アルミマイクロチューブの創製， 鹿 業波，坂 真澄
(3) コア流動法によるナノコイル形成の曲率制御， 徳 悠葵，村岡幹夫
(4) 異なる創製条件下のエレクトロマイグレーションによる金属ナノストラクチャー創製の数値シミュレーション， 笹川和彦，阿保雄大，鵜沼 潤
(5) 銀ナノワイヤのマニピュレーションと溶接， 福井里留，燈明泰成，坂 真澄
(6) Behavior of Sliding Friction of Very Thin Pt Wire Against Local Contacts of Two Opposite Probes, M.A.S. Akanda, H. Tohmyoh and M. Saka
(7) Modifying the Structure of Micro-Wave AFM Probe for Improving the Sensitivity in the Measurement of Electrical Properties, L. Zhang, Y. Ju, A. Hosoi and A. Fujimoto
M.A.S. Akanda, H. Tohmyoh and M. Saka, "Precision Friction Measurement between Ultrathin Wire and Microprobe by a Special Microforce Sensor," Procedia Engineering (Proc. Eurosensors XXIV, September 5-8, Linz, Austria), Vol.5, (2010), pp.256-259.
８． 荷重センサ，ピエゾステージ，マニピュレータ，等からなる試験機構と，高分解能顕微鏡とを組み合わせた微小対象物の機械的特性取得のための新しい顕微鏡システムについて報告した。
H. Tohmyoh, M.A.S. Akanda and M. Saka, "A Microscope System for Characterization of Mechanical Properties of Small-Scaled Objects," Proc. ESTC2010, September 13-16, Berlin, Germany (CD-ROM), (2010), pp.1-4.
９． アノード端に微小孔を有する保護膜被覆型Al配線において，微小孔の深さを制御することで大量のAl 原子を効率よく排出できることを見出し，従来より長いAl ワイヤ（長さ 336μm，直径0.8〜4μm）や大きなAl マイクロ構造体を作製することに成功した。
Y. Lu, H. Tohmyoh and M. Saka, "Forming Microstructures by Controlling the Accumulation and Discharge of Al Atoms by Electromigration," J. Phys. D: Appl. Phys., Vol.44, No.4, (2011), 045501 (7pages).
１０． 本研究課題の遂行により得られた成果を基に，金属マイクロ・ナノ材料の創製，機械的・電気的特性評価，加工・応用，等の，我が国から世界に発信する特色ある手法と基盤について記述した著書を出版した。
"Metallic Micro and Nano Materials - Fabrication with Atomic Diffusion," M. Saka (Ed.), M. Saka, K. Sasagawa, M. Muraoka, H. Tohmyoh and Y. Ju (Authors), Springer, (2011).
１１． 集中質量型カンチレバーを用いて，厚さ10 nm以下の薄膜の弾性係数を，基板の影響なしに精度よく計測できる手法を提案した。
M. Muraoka and S. Komatsu, "Characterization of Films with Thickness Less than 10 nm by Sensitivity-Enhanced Atomic Force Acoustic Microscopy," Nanoscale Res. Lett., Vol.6, No.1, (2011), pp.33 (1 - 6).
１２． 集中質量型カンチレバーの２次振動モードを利用し，探針の超音波摺動によるナノ加工法を考案した。
M. Muraoka, "Nanomachining by Rubbing at Ultrasonic Frequency Under Controlled Shear Force," J. Nanosci. Nanotechnol., Vol.11, No.3, (2011), pp.1986-1990.
１３． 金属極細線の弾塑性特性を取得するための微小スパン曲げ試験方法を考案した。ジュール熱溶接により固定した白金極細線（公称直径 625 nm）に対して局所的に負荷して得た荷重−変位曲線を有限要素法解析により再現することで，当該細線の弾性率，降伏応力，加工硬化係数を算出することに成功した。
H. Tohmyoh, M.A.S. Akanda and M. Saka, "Small-Span Bending Test for Determination of Elastic-Plastic Properties of Ultrathin Pt Wires," Appl. Phys. A, Vol.103, Iss.2, (2011), pp.285-291.
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