ナノテクノロジー技術動向調査
調査報告書
平成１６年１２月
独立行政法人 物質･材料研究機構
本 報 告 書 は、独 立 行 政 法 人 物 質 ･材 料 研 究 機 構 ナノテクノロジー総 合 支 援 プロジェク トセンターが平 成 16 年 度 に実 施 した「ナノテク ノロジー技 術 動 向 調 査 」の成 果 を取 りまとめた ものです。 本 報 告 書 の無 断 複 製 、転 載 、引 用 等 を禁 じます。
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平成１６年度
ナノテクノロジー技術動向調査
文部科学省ナノテクノロジー総合支援プロジェクトセンターでは、国内のナノテクノロ ジー研究者への研究支援の一環として、国内外の研究情報を収集し、適切な方法で情報発 信することにより、研究活動の活性化と国内外の研究機関・研究者の間のネットワーク形 成を促進しています。 ナノテクノロジー総合支援プロジェクトセンターは事業の一環として、平成１５年度に 引き続き「ナノテクノロジー技術動向調査」を実施いたしました。本調査は、ナノテクノ ロジーにおける最近の国内の研究機関・研究者の研究活動について網羅的に情報収集し、 研究状況を整理して今後の研究支援活動に資することを目的として、実施されたものです。 本報告書で取り上げたナノテクノロジー研究分野は、ナノテクノロジー総合支援プロジ ェクトセンターが実施した分野別文献動向調査の結果をもとに、１５年度より社団法人未 踏科学技術協会の協力のもと、「ナノテクノロジー技術動向調査委員会」において検討し、 整理したものです。本報告書は、その研究分野における 100 を越す先端技術を取り上げ、 その技術において第一線で活躍する研究者により研究動向をまとめたものです。 今後のこの分野で研究開発する方々の参考としていただければ幸いです。 平成16 年 12 月 ナノテクノロジー総合支援プロジェクトセンターii 平成16 年度 ナノテクノロジー技術動向調査委員会 委 員 長 田中 順三 (独)物質・材料研究機構 生体材料研究センター 副委員長 塙 隆夫 東京医科歯科大学 生体材料工学研究所 金属材料分野 春山 哲也 九州工業大学 大学院生命体工学研究科 生体機能専攻 委 員 上野 則夫 (株)資生堂 基盤研究本部マテリアルサイエンス研究センター 技術開発研究所 尾笹 一成 (独)理化学研究所 前田バイオ工学研究室 小林 幹彦 (独)物質･材料研究機構 材料研究所 機能融合材料グループ 寺部 一弥 (独)物質･材料研究機構 ナノマテリアル研究所 原子エレクトロニクスグループ 内藤 尚 国立身体障害者リハビリテーションセンター研究所 藤田 大介 (独)物質･材料研究機構 ナノマテリアル研究所 極限場ナノ機能グループ 宮原 裕二 (独)物質･材料研究機構 生体材料研究センター 吉田 亮 東京大学 大学院工学系研究科 マテリアル工学専攻
iii 寄稿者リスト ( )内は執筆項目を示します。 １．基盤要素技術 藤田 大介(1.1)(1.1.4_1)(1.2) (独)物質･材料研究機構 ナノマテリアル研究所 http://www.nims.go.jp/activenano/ 森田 清三(1.1.4_2) 大阪大学 大学院 工学研究科電子工学専攻 http://www-e2.ele.eng.osaka-u.ac.jp/index-jp.html 斎木 敏治(1.1.4_3) 慶應義塾大学 理工学部 電子工学科 幾原 雄一(1.1.4_4) 東京大学 大学院工学系研究科 総合研究機構 http://sogo.t.u-tokyo.ac.jp/ 長谷川修司(1.1.4_5) 東京大学 大学院理学系研究科 物理学専攻 http://www-surface.phys.s.u-tokyo.ac.jp 木塚 徳志(1.1.4_6) 筑波大学 大学院数理物質科学研究科 物性・分子工学専攻 http://www.ims.tsukuba.ac.jp/individual2/kizuka.html 一村 信吾(1.2.4_1) (独)産業技術総合研究所 計測フロンティア研究部門 http://unit.aist.go.jp/riif/index.htm 三澤 弘明(1.2.4_2) 北海道大学 電子科学研究所 http://misawa.es.hokudai.ac.jp/ 大木 泰造(1.2.4_3) 筑波大学 物理学系 杉村 博之(1.2.4_4) 京都大学 大学院工学研究科 材料工学専攻 http://www.mtl.kyoto-u.ac.jp 寺部 一弥(1.2.4_5) (独)物質･材料研究機構 ナノマテリアル研究所 原子ｴﾚｸﾄﾛﾆｸｽ G 山内 泰(1.2.4_6) (独)物質・材料研究機構 ナノファンクショングループ http://www.nims.go.jp/nanofunc/EAL/overview_j.html 三石 和貴(1.2.4_7) (独)物質･材料研究機構 ナノマテリアル研究所 ナノキャラクラリゼーショングループ 小寺 正敏(1.2.4_8) 大阪工業大学 電子情報通信工学科 尾笹 一成(1.3) (独)理化学研究所 前田バイオ工学研究室 渡邉 孝信(1.3.4_1) 早稲田大学 大学院理工学研究科 http://www.coe.waseda.ac.jp/ 大野 隆央(1.3.4_2) (独)物質･材料研究機構 計算材料科学研究センター http://www.nims.go.jp/cmsc/ 渡辺 尚貴(1.3.4_3) みずほ情報総研(株) 科学技術部 http://www.mizuho-ir.co.jp/science/meso/index.html 中村 美道(1.3.4_4) (独)物質･材料研究機構 計算材料科学研究センター 第一原理物性グループ ２．ライフサイエンス・医療 菊池 正紀(2.1)(2.1.4_5) (独)物質･材料研究機構 生体材料研究センター 組織再生材料研究グループ http://www.nims.go.jp/bmc/ 玉田 靖(2.1.4_1) (独)農業生物資源研究所 生体機能模倣研究チーム http://www.nias.affrc.go.jp/ 浦 剛博(2.1.4_2) 北海道大学 大学院理学研究科 http://altair.sci.hokudai.ac.jp/g2/ 角五 彰(2.1.4_2) (同上) 龔 剣萍(2.1.4_2) (同上) 長田 義仁(2.1.4_2) (同上) 吉田 亮(2.1.4_3) 東京大学 大学院工学系研究科 ﾏﾃﾘｱﾙ工学専攻 菊池 明彦(2.1.4_4) 東京女子医科大学 先端生命医科学研究所 田中 順三(2.1.4_5) (2.1.4_9) (独)物質･材料研究機構 生体材料研究センター http://www.nims.go.jp/bmc/ 石原 一彦(2.1.4_6) 東京大学 大学院工学系研究科 マテリアル工学専攻 http://www.bmw.t.u-tokyo.ac.jp/ishihara/ 吉成 正雄(2.1.4_7) 東京歯科大学 歯科理工学講座 http://www.tdc.ac.jp/dept/dm/index.html 塙 隆夫(2.1.4_8) 東京医科歯科大学 生体材料工学研究所 金属材料分野 http://www.tmd.ac.jp/i-mde/www/index.html
iv 田口 哲志(2.1.4_9) (独)物質･材料研究機構 生体材料研究センター http://www.nims.go.jp/bmc/ 大和 雅之(2.2) 東京女子医科大学 先端生命医科学研究所 各務 秀明(2.2.4_1) 名古屋大学 医学部 組織工学講座 西田 幸二(2.2.4_2) 大阪大学 大学院 医学系研究科 眼科視覚科学 岩田 博夫(2.2.4_3) 京都大学 再生医科学研究所 組織修復材料科学分野 http://www.frontier.kyoto-u.ac.jp 水野 裕和(2.2.4_4) 名古屋大学 大学院医学系研究科 頭頚部感覚器外科学講座 鷲見 幸男(2.2.4_4) (同上) 上田 実(2.2.4_4) (同上) 清水 達也(2.2.4_5) 東京女子医科大学 先端生命医科学研究所 立石 哲也 (2.2.4_6) (独)物質･材料研究機構 生体材料研究センター 医工連携チーム 陳 国平(2.2.4_6) (同上) 長崎 幸夫(2.3)(2.3.4_7) 筑波大学 学際物質科学研究センター 物質工学系 西山 伸宏(2.3.4_1) 東京大学 大学院工学系研究科 材料学専攻 由井 伸彦(2.3.4_2) 北陸先端科学技術大学院大学 材料科学研究科 http://www.jaist.ac.jp/ms/labo/yui.html 横山 昌幸(2.3.4_3) 神奈川科学技術アカデミー 横山「高分子ナノメディカル」ﾌﾟﾛｼﾞｪｸﾄ http://www.newkast.or.jp/index.html 青柳 隆夫(2.3.4_4) 鹿児島大学 大学院理工学研究科 ナノ構造先端材料工学専攻 http://www.eng.kagoshima-u.ac.jp 磯部 寛之(2.3.4_5) 東京大学 大学院理学系研究科･理学部 化学専攻 http://www.chem.s.u-tokyo.ac.jp/%7Ecommon/NakamuraLab.html 中村 栄一(2.3.4_5) (同上) 藤原 正浩(2.3.4_6) (独)産業技術総合研究所 人間系特別研究体刺激応答材料研究ｸﾞﾙｰﾌﾟ http://staff.aist.go.jp/m-fujiwara/ 春山 哲也(2.4)(2.4.4_1) 九州工業大学 大学院生命体工学研究科 生体機能専攻 http://www.life.kyutech.ac.jp/ haruyama/ 堀池 靖浩(2.4.4_2) (独)物質･材料研究機構 生体材料研究センター 産学官連携チーム 宮原 裕二(2.4.4_3) (独)物質･材料研究機構 生体材料研究センター 加地 範匡(2.4.4_4) 名古屋大学 大学院工学研究科 化学・生物工学専攻 田渕 眞理(2.4.4_4) 徳島大学 大学院 ヘルスバイオサイエンス研究部 馬場 嘉信(2.4.4_4) 名古屋大学 大学院工学研究科 化学・生物工学専攻 http://133.6.56.1/index.html 田中 有希(2.4.4_5) 東京大学 大学院工学系研究科 応用化学専攻 http://www.appchem.t.u-tokyo.ac.jp/appchem/labs/kitamori/ 北森 武彦(2.4.4_5) （同上） 藤井 輝夫(2.4.4_6) 東京大学 生産技術研究所 海中工学研究センター http://www.iis.u-tokyo.ac.jp/ tfujii 船津 高志(2.4.4_7) 東京大学 大学院薬学系研究科 生体分析化学教室 http://www.f.u-tokyo.ac.jp/ funatsu/ 鷲津 正夫(2.5) (2.5.4_3) 東京大学 大学院工学系研究科 機械工学専攻 www.washizu.t.u-tokyo.ac.jp 吉田 亮(2.5) 東京大学 大学院工学系研究科 ﾏﾃﾘｱﾙ工学専攻 田畑 仁(2.5.4_1) 大阪大学 産業科学研究所 http://www.sanken.osaka-u.ac.jp/labs/bis/ 田中 裕行(2.5.4_2) 大阪大学 産業科学ナノテクノロジーセンター 川合 知二(2.5.4_2) （同上） ３．情報通信技術 寺部 一弥 (3.1)(3.1.4_4)(3.2) (独)物質･材料研究機構 ナノマテリアル研究所 原子ｴﾚｸﾄﾛﾆｸｽ G 川浦 久雄(3.1.4_1) 日本電気(株) 基礎・環境研究所 石橋 幸治(3.1.4_2) (独)理化学研究所 石橋極微デバイス工学研究室 http://www.riken.jp
v 水谷 亘(3.1.4_3) (独)産業総合技術研究所 ﾅﾉﾃｸﾉﾛｼﾞｰ研究部門 http://staff.aist.go.jp/w.mizutani 長谷川 剛(3.1.4_4) (独)物質･材料研究機構 ナノマテリアル研究所 原子ｴﾚｸﾄﾛﾆｸｽ G 大野 英男(3.1.4_5) 東北大学 電気通信研究所 http://www.ohno.riec.tohoku.ac.jp 池田 正二(3.1.4_5) （同上） 長 康雄(3.1.4_6) 東北大学 電気通信研究所 http://www.d-nanodev.riec.tohoku.ac.jp 蔡 兆申(3.1.4_7) 日本電気(株) 基礎研究所 http://www.riken.jp/r-world/research/lab/frontier-rs/quantum/coherence/ 小出 康夫(3.2.4_1) (独)物質･材料研究機構 物質研究所 スーパーダイヤグループ 上村佐四郎(3.2.4_2) ノリタケカンパニーリミテド戦略開発センター http://www.noritake.co.jp/ 大津 元一(3.2.4_3) 東京工業大学 大学院工学系研究科 電子工学専攻 http://www.nanophotonics.info 藤田 博之(3.2.4_4) 東京大学 生産技術研究所 http://www.fujita3.iis.u-tokyo.ac.jp ４．ナノ素材 塙 隆夫(4.1) (4.2) 東京医科歯科大学 生体材料工学研究所 金属材料分野 http://www.tmd.ac.jp/i-mde/www/index.html 宝野 和博(4.1.4_1) (独)物質・材料研究機構 材料研究所 ナノ組織解析グループ 酒井 明(4.1.4_2) 京都大学 国際融合創造センター 創造部門 http://www.iic.kyoto-u.ac.jp/index.php 井上 明久(4.1.4_3) 東北大学 金属材料研究所 http://www.inoue.imr.tohoku.ac.jp/ 小澤 英一(4.1.4_4) 文部科学省 ﾅﾉﾃｸﾉﾛｼﾞｰ総合支援ﾌﾟﾛｼﾞｪｸﾄｾﾝﾀｰ 普及・教育グループ 隅山 兼治(4.1.4_5) 名古屋工業大学 材料工学科 http://ss.mse.nitech.ac.jp 井上 悟(4.2) (4.2.4_1) (独)物質･材料研究機構 物質研究所 機能探索領域 http://www.nims.go.jp/glass-lab/ 足立 基齊(4.2.4_2) 京都大学 エネルギー理工学研究所 安藤 寿浩(4.3) (独)物質・材料研究機構 物質研究所 ｽｰﾊﾟｰﾀﾞｲﾔﾓﾝﾄﾞｸﾞﾙｰﾌﾟ 中川 清晴(4.3) （同上） 塙 隆夫(4.3) 東京医科歯科大学 生体材料工学研究所 金属材料分野 http://www.tmd.ac.jp/i-mde/www/index.html 中山 喜萬(4.3.4_1) 大阪府立大学 大学院工学研究科 電子物理工学分野 http://www.dd.pe.osakafu-u.ac.jp/ 大竹 尚登(4.3.4_2) 東京工業大学 大学院理工学研究科 機械物理工学専攻 http://www.mech.titech.ac.jp/ seikei/ 若林 知成(4.3.4_3) 近畿大学 理工学部 理学科化学ｺｰｽ 宮澤 薫一(4.3.4_4) (独)物質･材料研究機構 エコマテリアル研究センター 岸本 哲(4.4) (独)物質・材料研究機構 材料研究所 機能融合材料グループ 武田 邦彦(4.4.4_1) 名古屋大学 大学院工学研究科 材料機能工学専攻 新谷 紀雄(4.4.4_2) (独)物質･材料研究機構 材料研究所 機能融合材料グループ http://www.nims.go.jp/Smart/member/shinya/ 京野 純郎(4.4.4_2) (同上) 西 義武(4.4.4_3) 東海大学 工学部 材料科学科 ５．ナノ素材応用 西 義武(5.1) (5.1.4_3) (5.2.4_2) 東海大学 工学部 材料科学科 太刀川恭治(5.1.4_1) 東海大学 工学部 村上 雅人(5.1.4_2) 芝浦工業大学 工学部材料工学科 超伝導材料研究室 http://moniko.s26.xrea.com 中森 裕子(5.1.4_4) 東北大学 金属材料研究所 特殊耐熱材料学研究部門 http://www.hydrogen.imr.tohoku.ac.jp/ 折茂 慎一(5.1.4_4) （同上）
vi 内田 裕久(5.1.4_5) 東海大学 工学部応用理学科 エネルギー工学専攻 山口 猛央(5.1.4_6) 東京大学 大学院工学系研究科 化学システム工学専攻 吉田 勝(5.1.4_7) 日本原子力研究所 高崎研究所 片貝 良一(5.1.4_7) 群馬大学 工学部 材料工学科 http://www.chem.gunma-u.ac.jp/ kb4/ 上野 祐子(5.1.4_8) ＮＴＴマイクロシステムインテグレーション研究所 http://www.ntt.co.jp/milab/ 松原 一郎(5.1.4_9) (独)産業技術総合研究所 センサインテグレーショングループ http://unit.aist.go.jp/amri/group/senint/ja/senint.html 小林 幹彦(5.2) (5.2.4_1) (独)物質･材料研究機構 材料研究所 機能融合材料グループ http://www.nims.go.jp/Smart/ 古屋 泰文(5.2.4_3) 弘前大学 理工学部 知能機械ｼｽﾃﾑ工学科 岡崎 禎子(5.2.4_3) 弘前大学 理工学部 物質理工学科 岸本 哲(5.2.4_4) (独)物質・材料研究機構 材料研究所 機能融合材料グループ 上野 則夫(5.3) (株)資生堂 基盤研究本部 ﾏﾃﾘｱﾙｻｲｴﾝｽ研究ｾﾝﾀｰ 技術開発研究所 西川 和男(5.3.1_1) シャープ(株) 電化システム事業本部 電化商品開発研究所 上野 則夫(5.3.1_2) (株)資生堂 基盤研究本部 ﾏﾃﾘｱﾙｻｲｴﾝｽ研究ｾﾝﾀｰ 技術開発研究所 神山 三枝(5.3.1_3) 帝人ファイバー（株） http://www.teijin.co.jp 中村 知基(5.3.1_4) 帝人ファイバー(株) テキスタイル技術開発グループ 柏原 徹(5.3.1_5) カネボウ繊維(株) 営業戦略室 鈴木 晃(5.3.1_6) 東レ(株)生産本部 フィラメント技術部 田中 裕久(5.3.1_7) ダイハツ工業（株）材料技術部 http://www.daihatsu.co.jp/tech/i-topaz/index.htm 松林 賢司(5.3.1_8) 三菱商事（株） 事業開発部
vii
目次
Ⅰ．調査の背景と目的･････････････････････････････････････････････････････････････････････1 Ⅱ．調査報告書の構成･････････････････････････････････････････････････････････････････････3 Ⅲ．調査の進め方 ････････････････････････････････････････････････････････････････････････3 Ⅳ．調査報告 １．基盤要素技術 1.1 ナノ計測･･･････････････････････････････････････････････････････････････････････････5 1.1.1 はじめに 1.1.2 研究状況 1.1.3 今後の展開 1.1.4 先端技術内容 1.1.4_1 走査トンネル顕微鏡･････････････････････････････････････････････････････････8 1.1.4_2 原子間力顕微鏡···11 1.1.4_3 近接場光学顕微鏡···14 1.1.4_4 透過電子顕微鏡法･･････････････････････････････････････････････････････････17 1.1.4_5 多探針ナノプローブによるナノ計測 ･･････････････････････････････････････････21 1.1.4_6 TEM− SPM 複合ナノプローブ ･･･････････････････････････････････････････････25 1.2 ナノ加工･･････････････････････････････････････････････････････････････････････････29 1.2.1 はじめに 1.2.2 研究状況 1.2.3 今後の展開 1.2.4 先端技術内容 1.2.4_1 超薄膜による半導体製造技術････････････････････････････････････････････････32 1.2.4_2 フェムト秒レーザ加工･･････････････････････････････････････････････････････35 1.2.4_3 STM ナノ創製加工･････････････････････････････････････････････････････････38 1.2.4_4 AFM ナノ加工（リソグラフィー）････････････････････････････････････････････41 1.2.4_5 AFM ナノ加工（強誘電体ドメインエンジニアリング･････････････････････････････44 1.2.4_6 原子ビームによるナノ創製加工 ･･････････････････････････････････････････････47 1.2.4_7 TEM によるナノ創製･･･････････････････････････････････････････････････････50 1.2.4_8 電子ビームナノ加工（リソグラフィー） ･･････････････････････････････････････53 1.3 ナノシミュレーション ･･････････････････････････････････････････････････････････････56 1.3.1 はじめに 1.3.2 研究状況 1.3.3 今後の展開 1.3.4 先端技術内容 1.3.4_1 分子動力学計算 ･･･････････････････････････････････････････････････････････59 1.3.4_2 第一原理計算 ･････････････････････････････････････････････････････････････62 1.3.4_3 量子電子動力学シミュレーション ････････････････････････････････････････････66 1.3.4_4 量子・古典融合型分子動力学シミュレーション･････････････････････････････････69viii 2.ライフサイエンス・医療 2.1 生体親和性材料････････････････････････････････････････････････････････････････････73 2.1.1 はじめに 2.1.2 研究状況 2.1.3 今後の展開 2.1.4 先端技術内容 2.1.4_1 生物由来素材 ･････････････････････････････････････････････････････････････76 2.1.4_2 ケモメカニカルゲル････････････････････････････････････････････････････････79 2.1.4_3 機能性高分子ゲル･･････････････････････････････････････････････････････････82 2.1.4_4 蛋白質分離素材 ･･･････････････････････････････････････････････････････････85 2.1.4_5 無機―高分子自己組織化複合体 ･･････････････････････････････････････････････89 2.1.4_6 細胞膜類似ポリマー高集積化････････････････････････････････････････････････92 2.1.4_7 金属表面修飾 ･････････････････････････････････････････････････････････････95 2.1.4_8 医療用新合金 ･････････････････････････････････････････････････････････････98 2.1.4_9 接着剤･･････････････････････････････････････････････････････････････････101 2.2 組織再生技術･････････････････････････････････････････････････････････････････････104 2.2.1 はじめに 2.2.2 研究状況 2.2.3 今後の展開 2.2.4 先端技術内容 2.2.4_1 組織工学････････････････････････････････････････････････････････････････106 2.2.4_2 人工角膜････････････････････････････････････････････････････････････････108 2.2.4_3 人工膵臓････････････････････････････････････････････････････････････････111 2.2.4_4 人工皮膚・人工口腔粘膜･･･････････････････････････････････････････････････114 2.2.4_5 人工心筋････････････････････････････････････････････････････････････････117 2.2.4_6 生体外再生軟骨：細胞培養工学による軟骨欠損の修復 ･･････････････････････････120 2.3 ナノ粒子と DDS ･･････････････････････････････････････････････････････････････････123 2.3.1 はじめに 2.3.2 研究状況 2.3.3 今後の展開 2.3.4 先端技術内容 2.3.4_1 高分子 DDS によるガン治療････････････････････････････････････････････････125 2.3.4_2 DDS のための超分子材料設計･･･････････････････････････････････････････････128 2.3.4_3 ダブルターゲティングシステム ･････････････････････････････････････････････131 2.3.4_4 ハイドロゲル生分解性ナノキャリア ･････････････････････････････････････････134 2.3.4_5 水溶性フラーレンの生体関連機能 ･･･････････････････････････････････････････137 2.3.4_6 メソポーラスシリカのナノ材料特性 −薬物放出の光制御− ･･････････････････････140 2.3.4_7 ナノ粒子による診断･･･････････････････････････････････････････････････････143 2.4 生体分子検出技術･････････････････････････････････････････････････････････････････146 2.4.1 はじめに 2.4.2 研究状況 2.4.3 今後の展開 2.4.4 先端技術内容
ix 2.4.4_1 人工酵素設計とその生体分子測定への応用････････････････････････････････････148 2.4.4_2 在宅健康診断チップ･･･････････････････････････････････････････････････････151 2.4.4_3 DNA チップ ･････････････････････････････････････････････････････････････154 2.4.4_4 電気泳動チップ ･･････････････････････････････････････････････････････････157 2.4.4_5 免疫チップ･･････････････････････････････････････････････････････････････160 2.4.4_6 細胞チップ･･････････････････････････････････････････････････････････････163 2.4.4_7 一分子計測･･････････････････････････････････････････････････････････････166 2.5 DNA とナノテクノロジー･･･････････････････････････････････････････････････････････168 2.5.1 はじめに 2.5.2 研究状況 2.5.3 今後の展開 2.5.4 先端技術内容 2.5.4_1 DNA 電子回路− DNA 分子を用いたボトムアップナノテクノロジー− ･･････････････170 2.5.4_2 DNA 可視化 ･････････････････････････････････････････････････････････････174 2.5.4_3 DNA 操作 ･･･････････････････････････････････････････････････････････････177 3. 情報通信技術 3.1 ナノ電子デバイス ･････････････････････････････････････････････････････････････････181 3.1.1 はじめに 3.1.2 研究状況 3.1.3 今後の展開 3.1.4 先端技術内容 3.1.4_1 大規模集積回路 (ULSI, MOSFET) ･･･････････････････････････････････････････183 3.1.4_2 単電子デバイス ･･････････････････････････････････････････････････････････186 3.1.4_3 分子デバイス ････････････････････････････････････････････････････････････191 3.1.4_4 原子スイッチ ････････････････････････････････････････････････････････････194 3.1.4_5 スピントロニクス・デバイス･･･････････････････････････････････････････････197 3.1.4_6 プローブメモリ ･･････････････････････････････････････････････････････････200 3.1.4_7 量子コンピュータ･････････････････････････････････････････････････････････203 3.2 ナノ光デバイス･･･････････････････････････････････････････････････････････････････206 3.2.1 はじめに 3.2.2 研究状況 3.2.3 今後の展開 3.2.4 先端技術内容 3.2.4_1 半導体発光素子（量子ドット、量子細線、量子井戸） ･･････････････････････････208 3.2.4_2 カーボンナノチューブ発光素子 ･････････････････････････････････････････････211 3.2.4_3 ナノフォトニックデバイス･････････････････････････････････････････････････214 3.2.4_4 マイクロ・ナノシステム(MEMS, NEMS) ･････････････････････････････････････217 4．ナノ素材 4.1 金属ナノ素材･････････････････････････････････････････････････････････････････････221 4.1.1 はじめに 4.1.2 研究状況 4.1.3 今後の展開 4.1.4 先端技術内容
x 4.1.4_1 金属ナノ組織制御･････････････････････････････････････････････････････････224 4.1.4_2 STM・AFM 等による表面観察・解析･････････････････････････････････････････227 4.1.4_3 ナノ構造複合材料･････････････････････････････････････････････････････････230 4.1.4_4 金属ナノ粒子 ････････････････････････････････････････････････････････････234 4.1.4_5 金属クラスタ ････････････････････････････････････････････････････････････237 4.2 セラミックスナノ素材･･････････････････････････････････････････････････････････････240 4.2.1 はじめに 4.2.2 研究状況 4.2.3 今後の展開 4.2.4 先端技術内容 4.2.4_1 ナノガラス･･････････････････････････････････････････････････････････････242 4.2.4_2 セラミックスナノチューブ･････････････････････････････････････････････････245 4.3 カーボンナノ素材 ･････････････････････････････････････････････････････････････････248 4.3.1 はじめに 4.3.2 研究状況 4.3.3 今後の展開 4.3.4 先端技術内容 4.3.4_1 CNT を応用した SPM プローブ･･････････････････････････････････････････････251 4.3.4_2 CNT 複合材料････････････････････････････････････････････････････････････254 4.3.4_3 フラーレン･･････････････････････････････････････････････････････････････257 4.3.4_4 フラーレンナノウィスカー･････････････････････････････････････････････････260 4.4 自己修復材料･････････････････････････････････････････････････････････････････････263 4.4.1 はじめに 4.4.2 研究状況 4.4.3 今後の展開 4.4.4 先端技術内容 4.4.4_1 自己修復材料 ････････････････････････････････････････････････････････････265 4.4.4_2 自己修復性耐熱材料･･･････････････････････････････････････････････････････267 4.4.4_3 固体センサ・アクチュエーター材要素の機能劣化（ナノオーダー損傷） ･･･････････270 5．ナノ素材応用 5.1 エネルギー・環境技術用素材････････････････････････････････････････････････････････273 5.1.1 はじめに 5.1.2 研究状況 5.1.3 今後の展開 5.1.4 先端技術内容 5.1.4_1 超伝導材料･･････････････････････････････････････････････････････････････275 5.1.4_2 Nd, Eu, Gd 高温超伝導体を利用した永久磁石 ･･････････････････････････････････278 5.1.4_3 超強力新型モーター･･･････････････････････････････････････････････････････281 5.1.4_4 錯体水素化合物を用いた高密度水素貯蔵技術･･････････････････････････････････284 5.1.4_5 ナノ化水素吸蔵合金の水素吸収特性 ･････････････････････････････････････････287 5.1.4_6 固体高分子形燃料電池･････････････････････････････････････････････････････290 5.1.4_7 イオン穿孔膜 ････････････････････････････････････････････････････････････294 5.1.4_8 ナノ多孔質材料を用いた環境ガスセンサ･･････････････････････････････････････298
xi 5.1.4_9 有機／無機ハイブリッド材料の VOC センサ応用･･･････････････････････････････301 5.2 安心・安全技術用素材･･････････････････････････････････････････････････････････････304 5.2.1 はじめに 5.2.2 研究状況 5.2.3 今後の展開 5.2.4 先端技術内容 5.2.4_1 自己調温機能をもつヒーター･･･････････････････････････････････････････････305 5.2.4_2 電子線照射による医療用殺菌防曇処理････････････････････････････････････････309 5.2.4_3 相変態制御による能動材料･････････････････････････････････････････････････312 5.2.4_4 異なる物質を内包するクローズドセル構造化による多機能化･････････････････････318 5.3 日常生活用素材 ･･･････････････････････････････････････････････････････････････････321 5.3.1 先端技術内容 5.3.1_1 大気圧プラズマ生成クラスタイオンによる空気清浄････････････････････････････323 5.3.1_2 ナノテクノロジーを用いた化粧品 ･･･････････････････････････････････････････326 5.3.1_3 超多層成形と繊維への応用･････････････････････････････････････････････････329 5.3.1_4 汗におい消臭織編物「パーマフレッシィ®」 ･･････････････････････････････････333 5.3.1_5 抗酸化作用のあるビタミン E 誘導体を含む 油分層と水分層をナノサイズでサンドイッチ構造に重ねた繊維･･･････････････････336 5.3.1_6 吸湿性を向上させたナイロン･･･････････････････････････････････････････････339 5.3.1_7 貴金属が自己再生する排ガス浄化触媒････････････････････････････････････････342 5.3.1_8 ナノテク素材：フラーレンを用いた新規化粧品成分の開発･･･････････････････････345 Ⅴ．総括：ナノマテリアルの研究の流れ････････････････････････････････････････････････････348
1 Ⅰ． 調査の背景と目的 ナノテクノロジーという言葉はもともと 1980 年代の後半に日本で使われたのが最初であろう。 それはナノサイズ（1 ナノメートルは 100 万分の 1 ミリ）の構造体がマクロサイズの構造体とは異 なる特性を有することに言及し、用いられた言葉であった。その当時、ナノテクノロジーが技術と して発展するためには周辺技術が充分でなかったが、主に材料分野において原子・分子レベルの構 造設計技術を扱うナノテクノロジーの基礎的研究開発が進められてきた。その水準は世界的に見て トップレベルにあるということができよう。 2000 年 2 月になって、米国のクリントン大統領（当時）が国家戦略プロジェクト（NNI: National Nanotechnology Initiative）としてナノテクノロジーに言及し、その重要性が改めて認識された。日本 においても、2001 年、科学技術基本計画（2001 年 3 月）や総合科学技術会議の分野別推進戦略(2001 年 9 月)において、ナノテクノロジー・材料分野が「広範科学技術分野の飛躍的な発展の基盤を支え る重要分野であるとともに、特にナノテクノロジーは 21 世紀の基幹をなすもの」、「産業競争力の強 化と経済社会の特続的発展等に不可欠な重点領域」として今後 5 年間の重点 4 分野の一つに位置づ けられた。 それから 3 年以上が経過し、ナノテクノロジー分野で様々な研究成果が生まれ、予期されなかっ た現象や技術、そしてその方途が見え始めている。 文部科学省ナノテクノロジー総合支援プロジェクトセンターでは、平成 12 年度以降の国内外の 研究情報を収集している。ナノテクノロジーに関する論文及び報道記事は、1999 年度から 2000 年度にかけては 1,790 件から 2,217 件へと 24%程度の増加であったが、2000 年度から 2001 年度にか けては 2,217 件から 3,764 件へと 70%増加した。2002 年度の発表件数は 2003 年 3 月末時点で 5,628 件と急増傾向にある。基盤要素技術、ナノバイオテクノロジー、ナノ材料技術及び IT の 4 分野の分 野別の国内発表件数の推移では、4 分野全てについて発表件数は、過去 2 年間で急増傾向にある。 テーマ別にみると、ナノ材料分野のフラーレンを除くほぼ全てのテーマについて発表件数が増加 している。基盤要素技術分野では、加工、計測に関わる発表が増加している。特にナノ加工技術に 関する発表件数が多く、新規方式の開発、既存方式の精度向上といった点が件数の増加につながっ ている。同様の展開はナノ計測分野にもみられ、新しい測定方法や CNT プローブなどの適用よる 既存装置の改良、ナノスケールでの測定精度向上や新しい測定対象への取り組みなどが見られる。 ナノプロセスはナノ加工に用いられるものと同等の機器、例えばフェムト秒レーザなどの適用が見 られ、これらのナノテクノロジーを支える周辺機器の開発が順調であることがうかがえる。ナノマ シン分野については、MEMS から NEMS への展開がナノ加工技術の発展に伴って見られるものの、 マイクロマシンについては応用面で乏しく、要素技術としてのものにとどまっているが、適用する 分野が開拓されればその他の基盤技術から考えると、将来的な技術方途の開拓が見込まれる。ナノ バイオ分野では、ゲノム、タンパク等の発表数が多い。ナノバイオというキーワードに掛かる件数 は大きく伸びており、同様の伸びはゲノム、プロティン、セルといったものにも掛かる。ただ、そ の内容については解析や反応などの単純操作から、要素技術としての利用、自己組織化を利用した 機能性構造体の形成などへと移ってきた。医療関係ではバイオチップ、DDS についても、発表件数 が伸びている。これは生体材料と他のナノ物質の融合に関する研究が進んだことによると考えられ る。ナノマシンについての国内発表数は増加しているが、その数は他の技術に比べて少ない。これ は前述のマイクロマシンの場合と同様に現在のところは明確な方途が見えていないことによると考 えられる。IT 分野では、高集積デバイス等の開発において、極微細加工技術や成膜技術がナノメー トルオーダーの分解能の領域に達していることから、ナノテクノロジーとしての発表が増加してい る。また、ナノ材料分野においては、金属材料の組成や表面性状の改質・加工技術やその観察・分 析技術についての発表が増加している。金属（微粒子・ナノロッド）、CNT などの作成や応用に関
2 する技術について、件数こそ向上しているが伸び率には鈍化が見られる。具体的な利用を目的とし た金属材料は現在でかなり絞り込まれてきており、単体や合金として新材料の開発が少ないこと、 また用途に対応した原料の製造方法など技術面が成熟しており、新方式の開発等が少ないことが原 因と考えられる。しかしサイズ均一性の制御など技術的にまだ完全とはいえず、これらの打開によ る展開は期待される。一方でセラミック系ナノ材料は伸びており、上記の技術が金属や炭素などの 単純材料から BN ナノホーンなど複雑な構造組成、複合材料へと適用されたのではないかと考えら れる。フラーレンについては発表件数が大きく落ちており、金属内包フラーレンなど研究は進めら れているものの、カーボン系の多くは CNT へとシフトした結果であろう。 IT 分野については光デバイス関連の件数は増加していると見られるが、電子デバイス材料の進展 が鈍くなっている。本調査の分類では、量子ドットレーザや光スイッチング素子といった研究が光 デバイスに分類されており、光デバイスではすでに数十ナノメートルの加工精度に達した半導体技 術の応用による量子ドットやナノ構造体デバイスの作製が進められているのに対して、電子デバイ スではより精度の高い加工が求められるため、ナノ構造半導体を用いた単電子トランジスタや電子 波干渉デバイスなどの動作実証に留まっていることによると考えられる。しかし IT 分野は日本の関 心の高い分野であり、またこれら量子デバイスの実証試験は成果を挙げていること、さらにはスピ ントロニクス関連という特に注目すべき材料研究が進められてきており、今後とも研究が広がるも のと期待できる。 このようにナノテクノロジー関係の発表が増加している理由として、ナノテクノロジー領域の 技術、すなわち、ナノテクノロジー基盤要素技術、ナノバイオテクノロジー、ナノ材料技術が、同 時に発展し、技術や材料の相互活用が活発に行われたことが大きな要因である。こうした相乗効果 は、各機関の予算、人材等の研究資源のナノテクノロジー研究への重点化、政府の研究開発予算 の増加及びナノテクノロジー研究への重点化、大学等の研究機関内における改組等が良い効果を 生んだと考えられよう。 このような現状に鑑み、ナノテクノロジーという分野の今後を展望するために、ナノテクノロ ジーの研究動向を些細にまとめておく必要性については異論ないであろう。本報告が、我が国の ナノテクノロジー発展の一助となれば幸いである。 （春山哲也、塙 隆夫）
3 Ⅱ． 調査報告書の構成 前章で述べた通り、本報告書はナノテクノロジー研究領域の中で、日本の「得意技術」とその先 にある「産業技術（応用）」を浮かび上がらせることを目的としている。技術方途を明確にするため、 各ナノテクノロジー研究を応用の方向性により分類した。すなわち、下記の５つの方向性（領域） に分類し、まとめてある。 １． 基盤要素技術：ナノテクノロジーがナノ構造により発現される現象や機能などに基づいている ため、ナノ構造の創成・計測・評価・制御を行う技術はナノテクノロジー研究の基盤となる。 これらは必ずしも産業応用へ直結するものではないが、その基礎研究・基礎開発の必須技術で あるため、基盤要素技術としてまとめた。 ２． ライフサイエンス・医療：ナノテクノロジーとバイオテクノロジーの融合領域技術がナノバイ オテクノロジーである。ここでは、設計されたナノ構造体による生体親和性あるいは触媒活性 などの機能を有する人工材料や、ナノ構造の界面で形成する人工組織シート、あるいはナノ粒 子によるドラッグデリバリーなど、ヒトの健康等に非常に関係深い方向性を持った研究成果を まとめた。 ３． 情報通信技術：増え続ける情報通信量に対応するために IT 機器の性能を支えている集積回路 は微細集積化が尚一層進んでいる。これらは、大きくナノ電子デバイス及びナノ光デバイスに 分類できる。そこで、ナノ電子デバイスとしては、単一電子デバイス、分子デバイス、原子ス イッチ、スピンエレクトロニクスデバイス、プローブ目盛り、量子コンピュータを、ナノ光デ バイスとしては、半導体、有機、カーボンナノチューブなどの発光素子、光メモリ、マイクロ ナノシステムをまとめた。 ４． ナノ素材：ナノ構造を制御あるいは構築することでこれまで達成することの出来なかった性能 を持つ多くのナノ素材が生み出されている。本報告書ではこれらを、ナノ構造複合材料、磁性 材料、金属ナノ粒子、金属ナノクラスターといった金属ナノ素材、無機ナノ結晶、ナノガラス、 セラミックスナノチューブ、酸化物粒子といったセラミックスナノ素材、カーボンナノチュー ブ、フラーレン、フラーレンナノウィスカーといったカーボンナノ素材、自己修復性ポリマー、 自己修復性耐熱材料、自己修復性耐食性皮膜、ナノオーダー損傷といった自己修復材料として まとめた。 ５． ナノ素材応用：上記のナノ素材は、その用途に応じてさらに新たな機能を持つ材料として進化 している。ここでは、エネルギー材料、環境材料、安心・安全材料、日常生活材料に分類して、 ナノ素材やナノテクノロジーが、どのように応用されているかをまとめた。 （塙 隆夫、春山哲也） Ⅲ． 調査の進め方 調査は、平成 15 年度に引き続き、対象となる研究領域の第一線研究者により構成された「ナノ テクノロジー技術動向調査委員会」が行った。 各領域担当委員は、領域毎に含まれるナノテクノロジー研究の調査を網羅的に行った。整理され た技術は、それぞれの技術において第一線で活躍する研究者に詳細を聞くとともに、さらに委員会 全体での相補的な調査により補完を行い、調査結果とした。
１．基盤要素技術
１．１ ナノ計測
１．２ ナノ加工
5 １．１ ナノ計測 1.1.1 はじめに ナノ計測技術とは原子レベルもしくはナノメートルレベルの空間分解能を有し、形状、機能、物 性などの多様な計測・評価を行う技術である。ナノスケールで物質を創製・加工・制御するナノテ クノロジーにおいては、原子レベルで対象を観測し、理解することが必要不可欠であり、ナノレベ ルでの観測と分析の技術は本質的な重要性を有する。このような観点からみれば、ナノテクノロジ ーにおける基盤要素技術の筆頭に挙げるべき技術とは、ナノ計測技術（Nano-Characterization Technology）である。ナノテクノロジーによる”ものづくり”、即ち、ナノ構造を有する機能性材料 や新規デバイスの創製を効率的に推進するためには、ナノメートルスケールでの正確な計測と評価 を行い、その解析結果を創製プロセスにフィードバックすることが重要である。実際、内閣府総合 科学技術会議では、ナノ計測・評価技術をナノテクノロジー推進の重要な基盤技術と位置づけてお り 1)、経済産業者や文部科学省などの主導により積極的に新規ナノ計測技術の開発と共同利用が推 進されている2,3)。また、わが国のナノレベルでの計測技術は、例えば電子顕微鏡技術開発の長い経 験と蓄積があり、国際的に見ても高い技術水準を維持している。近年、ナノ計測・評価技術の重要 性の認識が普及してきたことから、様々な高度先端ナノ計測技術が開発されつつある。ここではナ ノテクノロジーの基盤技術として大きな役割を果たしている主要なナノ計測技術の最先端の研究開 発動向を概説する。 1.1.2 研究状況 ナノ計測技術とは、ナノメートルの空間分解能でナノ物質の構造や物性を評価できる計測手法で ある。主要な手法としては、透過型電子顕微鏡（Transmission Electron Microscope: TEM）や走査型 電子顕微鏡（Scanning Electron Microscope: SEM）に代表される電子顕微鏡（Electron Microscope: EM） と、走査型トンネル顕微鏡（Scanning Tunneling Microscope: STM）、原子間力顕微鏡（Atomic Force Microscope: AFM）、近接場走査型光学顕微鏡（Near-field Scanning Optical Microscope: NSOM）に代表 される走査型プローブ顕微鏡（Scanning Probe Microscope: SPM）に大別できる。上記の手法はナノ テクノロジー研究の進展に伴い、急速に量的・質的に発展してきており、ナノテクノロジーを牽引 する重要なナノ計測手法である。前者の電子顕微鏡は 20 世紀前半から開発が始まったが、最初に開 発されたのは TEM であり、ドイツのクノールとルスカにより発明された（1932 年）。TEM では、 細く絞った電子線が物質を透過することにより固体内部の構造を最高 0.1nm の分解能で計測するこ とができる。固体内部の原子配列を可視化することが可能な TEM は、特に“高分解能 TEM”（High Resolution TEM: HRTEM）とも呼ばれ、従来型 TEM と区別されている。HRTEM は 1980 年台からナ ノレベルでの物質・材料研究を中心に活躍するようになり、飯島博士のカーボンナノチューブ発見 にも大きな貢献をした（1991 年）。 一方、SPM は 1980 年代以降に開発が開始された比較的新しいナノ計測手法であり、非常に優れ た垂直分解能と水平分解能を有している。STM は SPM ファミリーの中で最初に開発された技術で あり、1982 年に IBM チューリッヒ研究所のビーニッヒとローラーらにより発明された。両氏は STM の発明により、TEM の発明者であるルスカと同時にノーベル物理学賞を 1986 年に授与されている。 STM 発明以来、様々なナノ計測手法が派生的に開発され、SPM ファミリーとして急速に発展して いる。SPM 技術は原子・分子を直接可視化できるのみならず、多様な物性計測と個々の原子・分子 操作も可能であり、ナノ計測のみならずナノ創製・加工のツールとしても重要な位置を占めている。 SPM の中では、STM と AFM は原子分解能イメージングを達成しており、表面原子構造、電子状態、 ポテンシャルなどの多様な物性の原子レベル計測が可能である。STM は走査トンネル分光（Scanning Tunneling Spectroscopy: STS）という計測モードにより、導電性試料の電子状態を原子レベルで解析 できる手法であることから、極限物理場環境における量子ナノ機能探索に適している。そのため、 極低温・強磁場・極高真空環境における高度 STM/STS 計測技術の開発が日本（物材機構、東京大 学）・ドイツ・米国で積極的に推進されている。SPM のもう一つの主要な手法である AFM は、ビー
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ニッヒらがスタンフォード大学のクエートらと共同で 1986 年に開発した。AFM は対象物質の導電 性が必要ないため STM よりも広範囲の応用が期待できるが、初期の AFM は原子間斥力を利用した 接触型（コンタクトモード）であったために破壊型の計測手法であり、“真の原子分解能”が得られ なかった。しかし、1995 年に非接触型 AFM（Noncontact AFM: NCAFM）により STM のイメージン グに匹敵する“真の原子分解能”が達成されたことから、AFM 関連の研究開発が大いに加速され、 広く普及した計測手法に発展した。NCAFM による高分解能計測技術の開発においては、大阪大学 グループを筆頭とする日本の貢献が非常に大きく、日本・ドイツ・スイスが世界最高水準に位置し ている。NSOM は、近接場光の検出により光の波長（ミクロンスケール）よりはるかに小さな空間 分解能（ナノメートルスケール）を達成した光学顕微鏡である。NSOM には開口型と散乱型と呼ば れる 2 つの形態が存在するが、両者ともに空間分解能は 10∼30nm を実現している。原子分解能は 達成していないもののナノスケールから発生した光を分光計測できるというユニークな特徴から、 量子ドットに代表されるナノデバイスの量子機能・物性を評価する重要な手法として発展している。 これらの主要なナノ計測手法から派生して、最近では様々な新規のナノ計測分野が発展している。 例えば、SPM の探針を複数化することにより、ナノ構造体の電気特性などを計測可能にする新しい ナノ計測技術の開発が世界的に推進されている。わが国では東京大学や物材機構などを中心として、 2∼4 個の独立駆動探針を有する多探針 STM・AFM の開発が行われている。この手法は多探針 SPM （Multi-Probe SPM）と呼ばれており、半導体表面状態、カーボンナノチューブ、DNA などの低次 元的なナノ材料・ナノ構造の電気的な性質を個別に計測する技術（ナノテスター）として実用化が 進められている。さらに主要なナノ計測手法である SPM と TEM を複合化することにより、ナノ構 造の表面および内部の構造や物理的・機械的性質を原子レベルで多角的に探索することも可能とな ってきた。たとえば、東工大や筑波大では TEM に STM や AFM を組み込んだ TEM-SPM 複合ナノ プローブが実際に開発されており、量子化コンダクタンスなどの新規ナノ量子効果の実証などナノ 構造の機能・物性評価に威力を発揮している。これらの主要なナノ計測手法（SPM,TEM）における わが国の技術水準は装置開発・手法開発・応用展開の面において質的にも量的にも世界トップ水準 にあり、様々な技術開発を主導的に推進している。 1.1.3 今後の展開 ナノ計測技術の今後の展開としては、さらに付加価値の高いナノ計測技術を確立すること及びナ ノテクノロジー推進にとって基盤となる有用性を確立することである。高付加価値化の具現化の一 例としては、上記の多探針 SPM や TEM-SPM 複合プローブの技術開発にみられるようなナノ計測に おける多機能化と異種プローブの複合化である。一方、ナノテクノロジー推進の基盤技術としての 有用性を高めるためには、ナノ計測手法とナノ創製技術の融合・一体化が有効である。これは“ア クティブ・ナノ計測”と呼ばれる日本発の概念であり、材料の創製・使用環境を実現しながらナノ 材料の機能発現や創製メカニズムを解析しようとするものである（図 1）4)。従来のナノ計測手法が” Seeing is Believing”型の技術であったのに対し、”Seeing is Creating”型の技術へ進化させることを 意味している。さらに、原子レベルのボトムアップ型ナノ創製加工やナノ構造に起因する新規の機 能・物性探索を実現するための”Seeing is Exciting”型ナノ計測技術の開発競争がナノテクノロジー 先進国（ドイツ、スイス、米国、日本）において進行している。このような世界最高水準の高度ナ ノ計測技術を確保することは、ナノテクノロジーにおける基盤産業の国際競争力の向上に直結して いる点で戦略的に重要である。一方、このような最先端技術の追求とは対照的に、ナノ計測技術の 標準化の推進、一般研究者への普及と計測データの知的基盤化の動きも同時に進行しており、この ような社会的貢献を着実に推進することが今後の課題となるだろう。 参考文献 1) 内閣府総合科学技術会議 URL: http://www8.cao.go.jp/cstp/ 2) 経済産業省 研究開発プログラム「材料ナノテクノロジープログラム」 URL: http://www.meti.go.jp/p@olicy/innovation_policy/
7 3) 文部科学省 ナノテクノロジー総合支援プロジェクト URL: http://www.nanonet.go.jp 科学技術振興機構 先端計測分析技術・機器開発事業 URL: http://www.jst.go.jp/sentan.html 4) 文部科学省 科学技術振興調整費研究先導的研究, 「アクティブ・ナノ計測基盤技術の確立」 URL: http://www.nims.go.jp/activenano/ 図 1.1 ナノテクノロジーの基盤技術としての“アクティブ・ナノ計測技術”の概念 （藤田大介）
1.1.4_1 8 1.1.4_1 走査トンネル顕微鏡 研究状況 ナノ計測技術の主要なカテゴリーのひとつとして、ナノスケールの先端を有する探針を試料表面 に近接させて走査することにより表面特性を画像化する走査プローブ顕微鏡（Scanning Probe Microscopy: SPM）がある。SPM ファミリーの中で最初に実用化され、初めて原子 1 個を見ること を可能にした計測手法は、走査トンネル顕微鏡（Scanning Tunneling Microscopy; STM）である。STM は 1981 年 3 月に IBM チューリッヒ研究所（スイス）において、G. Binnig、H. Rohrer, Ch. Gerber, E. Weibel により発明され1)、翌年 Si(111)表面において初めて 7×7 構造の原子分解能イメージングに成 功した 2) 。この清浄表面における原子直接観測の成功こそが、他のそれまでの顕微鏡群と際立って 異なる特徴であった。この新しいタイプの顕微鏡は多様な環境（大気、真空、溶液）適合性を有す ることから、物理・化学・生物・材料科学などの広範な分野で急速に利用が拡大し、ナノサイエン ス・テクノロジーという新しい学術領域確立の上で重要な役割を果たした。その偉大な功績により、 STM 開発を主導した Binnig 博士と Rohrer 博士は 1986 年のノーベル物理学賞を受賞した。ところで、 STM は単に原子 1 個ずつを実空間において見ることが可能にしたのみならず、多様な分光的手法に より、原子レベルの高分解能で電子状態やスピン状態を観測することができる究極の物性解析プロ ーブである。さらに原子 1 個ずつを操作できる“原子操作”が可能であり、究極のボトムアップ型 ナノ創製・加工手法でもある3)。STM を計測技法としてみた場合、最近の目指す方向としては、多 様な極限物理場環境における高度な機能・物性解析技術の開発が挙げられる。このようなナノ領域 における物性・機能探索技術はナノサイエンス・テクノロジーの発展にとって非常に重要な役割を 担っており、ナノ計測技術の先進各国（日、米、独、スイスなど）において活発な研究開発が行わ れている。本項目では、このような STM のナノ領域における機能・物性探索手法としての新展開 について代表的な研究例を述べる。 技術の詳細 まず、STM の動作原理を図 1 に示す。試料と探針間にバイアス電圧 V を印加しながら、両者を ナノメートルレベルに近接することにより、トンネル効果により探針−試料間にトンネル電流 I が 生じる。トンネル電流Ｉは探針−試料間距離 s に対して指数関数的に変化する。一般にｓが 0.1nm 変化するとトンネル電流Ｉは約 1 桁変化するので、垂直方向における高分解能が得られる。トンネ ル電流一定になるように探針高さ(z)をフィードバック制御しながら、x-y 方向に走査することによ り、表面構造を可視化することができる。x, y, z の位置は、Pb(Zr, Ti)O3に代表されるピエゾ圧電素 子によりピコメータレベルで設定することが可能である。もし、探針の先端が原子レベルで先鋭で あれば、表面の原子配置に対応した実空間イメージを原子分解能で得ることができる。ここで重要 な点は、STM により得られる像は単に表面トポグラフィーをなぞったものではなく、表面電子の局 所状態密度（Local Density of States; LDOS）を反映している点である。実際には、トンネル電流 I の バイアス電圧 V に関する規格化された微分コンダクタンス(dI/dV)/(I/V)が表面 LDOS に近似的に対応 する。このトンネル分光機能によって STM は原子レベルで電子状態を解析できるツールとなり、 様々なナノ構造の機能と物性の探索に広く応用されることになった。
1.1.4_1 9 図 1 STM において原子分解能計測が可能であることを示す原理図 STM 計測技術における最近の展開のひとつは、多様な極限物理場環境をアクティブ操作として計 測空間に与えながら高度な機能・物性計測を原子分解能で行う“アクティブ・ナノ計測”の試みで ある4) 。アクティブ操作としては、極低温・強磁場・極高真空･高温・粒子線照射・探針パルス電場・ 応力場などが実際に開発されている。特に 1K 以下の極低温、10T 以上の可変強磁場、極高真空の 複合環境と高度なトンネル分光機能を複合させることにより、原子レベルで清浄な表面における低 次元ナノ構造の量子効果発現機構を解明することが可能になる。たとえば図 2 に示すように、極低 温・極高真空環境において、Au(111)表面 2 次元電子波の干渉によって生じる LDOS 変調構造を dI/dV 像として可視化できる。このような実空間像をフーリエ変換することにより、k-空間におけるフェ ルミ面や 2 次元バンド構造をエネルギー毎に可視化することができる（フーリエ変換 STM）。 図 2 フーリエ変換 STM 法による実空間と逆空間での相補的イメージング このような表面 2 次元系においては、可変強磁場の印加により状態密度の離散化すなわち Landau 量子化が起こると予測され、実際、InAs(110)表面のような有効質量の非常に小さな系では既に実測 されている 5) 。複合極限物理場環境はそのほかにも、単一電子効果、近藤効果、非弾性トンネル分 子振動励起、トンネル発光、超伝導機構、基底状態、などの興味深い量子効果の解明にも重要な役 割を果たしている。
1.1.4_1 10 また、最近の STM 計測におけるホットな課題としては Si(100)表面のナノ周期構造操作の発見が 挙げられる。近年、未解決の重要課題であった極低温場における Si(100)表面の最安定基底状態の解 明が多くのグループにより試みられたが、その過程において STM 探針から注入するエネルギーを 制御することにより、Si(100)表面周期構造を操作できることが発見された6)。STM 探針と表面間の 電圧を制御することによって基底状態である c(4×2)構造と準安定状態である p(2×2)構造間の可逆的 な操作が可能である（図 3 参照）。この周期構造操作の発見は、Si(100)表面の基底状態を決定する上 でも、重要な知見を与えており、表面構造を統一的に解明する手助けとなると考えられる。 図 3 極低温 STM による Si(100)表面の周期配列の操作。c(4×2)⇒遷移状態⇒p(2×2)構造。 今後の展開 STM 計測技術の今後の展開としては、まず複合極限場（極低温・強磁場・極高真空）環境におけ る高度な量子物性解析技術の開発は、さらに極限を目指す競争が日･独・米を主体に継続されるもの と考えられる。具体的には希釈冷凍機の使用による更なる超低温化（∼mK）と分数量子ホール効 果領域での計測を目指した更なる強磁場化（B>20T）である。並行して、空間分解能とスペクトロ スコピー分解能の向上などの計測機能の高度化が推進されなければならない。さらに今後は、プロ ーブの複数化（多探針 STM）と他のナノ計測手法（透過電子顕微鏡、非接触原子間力顕微鏡、近接 場光計測、X 線顕微イメージング、など）との融合化が重要なテーマとなるだろう。これにより多 元的なナノ材料情報を同一試料に対して得ることが可能になる。また、STM は発明以来 20 年以上 が経過し、普遍的な計測手法とするための規格化や標準化を目指すべき時期に来ているといえる。 実際、2004 年度より国際標準化機構(ISO)の TC201（表面化学分析）において標準化の活動が開始 されており、ナノ計測分野において強い競争力を有する日本の主導的な取り組みが期待される。 参考文献
1) G. Binnig, H. Rohrer, Ch. Gerber and E. Weibel: Appl. Phys. Lett., 40, 178 (1982). 2) G. Binnig, H. Rohrer, Ch. Gerber and E. Weibel: Phys. Rev. Lett., 50, 120 (1983). 3) D.M. Eigler and E. Schweizer: Nature, 344, 524 (1990).
4) 藤田大介:まてりあ，41, 623 (2002).
5) M. Morgenstern, Chr. Wittneven, R. Dombrowski and R. Wiesendanger: Phys. Rev. Lett., 84, 5588 (2000) 6) K. Sagisaka, D. Fujita and G. Kido: Phys. Rev. Lett., 91, 146103 (2003).
