研究内容
北大のオフィシャルHPが公開になりました。下記リンクからアクセスをお願いします。
https://www.ist.hokudai.ac.jp/labo/nano/
本公開に伴い、本Google SitesのHPは今後アップデートを行いません。
本研究では、無機ナノ材料を主に用いることによる高機能・高性能なデバイスの実現を目指しています。ここではただ単一なデバイスを作製するのではなく、集積デバイスシステムとしての可能性を示唆できるように材料からデバイス、そしてプロセス開発までを一括して研究を行っています。また一つの分野に固執するのではなく、異分野融合をすることによって面白い材料を使用した新しいデバイスの提案、実現を目指しています。さらに新しい材料を用いることによって得られるナノ材料の物性物理などの解析も行います。現在のターゲット分野は、ナノ材料、フレキシブルデバイス、ウェアラブルエレクトロニクス、トランジスタ、MEMS、マイクロTAS、ブレインマシンインターフェース、電気生理学などであり、これらの分野を融合させることにより、全く新しいデバイスなどを提案できればと考えています。また上記以外でも新しい分野へどんどん挑戦していきたいと考えています。また今後はバイオや神経細胞分野の方との共同研究を探すことによって、細胞とエレクトロニクスのハイブリッドデバイスにも挑戦します。
応用面では、現在注目が集まっているInternet of Things (IoT)(モノのインターネット)において様々な表面から情報を取得するセンサが今後必要になることは間違いなく、本分野での印刷技術による大面積センサシートの普及を試みています。その一つのターゲットとして、人の健康状態及び建物の環境管理などに注目することで、デジタルヘルス分野での新たな方法の提案を模索しています。
学部生（学年に関わらず）で興味のある方がいましたら、是非竹井までご連絡下さい（B4棟W215号室にいます。メールでも構いません）。研究に従事してもらうことも可能かと思います。もちろん成果が出れば、学年に関係無く、学術論文の執筆や国内・国際会議へ積極的に参加してもらいます。是非一緒に研究しましょう！
国際会議参加、英語論文執筆、さらに研究遂行にあたりたくさんの英語論文を読むことによって、英語を「喋る」「聞く」「書く」「読む」の練習をしてもらいます。これにより将来、英語への壁を感じない研究者・技術者育成を目指します。実際、学部学生から国際会議への参加や、英語論文の執筆などを行ってもらっています。
日本学術振興会の博士研究員に本研究内容で応募したい方、もしくは他大学、企業との共同研究、委託研究など、出来る限り受け入れたいと考えています。
もしお考えの方がいらっしゃいましたら竹井までご連絡下さい。研究内容はナノ材料にこだわらず、面白そうな内容であれば可能な限りやっていきたいと思っています。
研究内容や、博士研究員としての海外留学などで質問のある方はご遠慮無くメールして頂ければと思います。答えれる範囲で返答します。またナノ材料を用いたデバイス、半導体トップダウン、ボトムアッププロセスなど様々な質問にも出来る範囲内でお答えできればとおもっております。お気軽にご連絡下さい。
ナノ材料のパターニング
全く新しいデバイス構造の実現には新しい材料が必要不可欠です。しかしながら、材料合成は非常に奥が深く我々が使用したい基板上に形成が出来ないことが多々あります。そこでこのような問題点を解決するために、本研究ではプリンティング又は転写法を提案しています。これにより様々な基板上（特にプラスチック基板）へ様々な特性を有した材料をプリント又は転写することが可能となり、これまで実現が困難であった構造体、デバイスが実現できます。一見単純なように見える材料の転写ですが、実は表面の状態を制御するなど、様々な工夫が必要となり、現在でも材料の転写技術が研究内容の対象となっています。本研究ではこれまで養ってきた転写技術を応用させることによって、さらに均一な無機ナノ材料のパターニングを提案そして実現していきます。また転写しただけでは面白くないので、これらの転写材料を用いて、センサ、アクチュエータ、回路などを集積化させ、新しいデバイスの実現を目指しています。
References
1. K. Takei, T. Takahashi, J. C. Ho, H. Ko, A. G. Gillies, P. W. Leu, R. S. Fearing, A. Javey, “Nanowire Active Matrix Circuitry for Low-Voltage Macro-Scale Artificial Skin”, Nature Materials, Vol. 9, pp. 821-826, 2010.
5. S. Harada, W. Honda, T. Arie, S. Akita, K. Takei, "Fully printed, highly sensitive multi-functional artificial electronic whisker arrays integrated with strain and temperature sensors", ACS Nano, Vol. 8, pp. 3921-3927, 2014.
6. S. Harada, K. Kanao, Y. Yamamoto, T. Arie, S. Akita, K. Takei, "Fully printed flexible fingerprint-like three-axis tactile and slip force and temperature sensors for artificial skin", ACS Nano, Vol. 8, pp. 12851-12857, 2014.
7. W. Honda, S. Harada, T. Arie, S. Akita, K. Takei, "Wearable human-interactive health-monitoring wireless devices fabricated by macroscale printing techniques", Advanced Functional Materials, Vol. 24, pp. 3299-3304, 2014.
8. W. Honda, T. Arie, S. Akita, K. Takei, "Printable and foldable electrodes based on a carbon nanotube-polymer composition", Physica Status Solidi A, Vol. 11, pp. 2631-2634, 2014.
この転写技術を用いてこれまでに様々なデバイスを実現してきました。下記に示す研究内容のほとんどがこの転写技術によって得られた結果となっています。
人-デバイス対話型ヘルスモニタリング・ウェアラブルデバイス
次の電子デバイスとして注目されているウェアラブルデバイス実現へ向け、様々なナノ・マイクロ材料をフレキシブル基板上に大面積印刷する技術の開発を行っています。その一つの応用例として、本研究では人とデバイスが対話することができるようなヘルスモニタリング・ウェアラブルデバイス「スマート絆創膏」を提案し、その実現に向け研究開発を行っている。本研究のゴールは、センサや回路の完全フレキシブル化による超軽量・フレキシブルで装着していることを感じさせないデバイスの実現を目指しています。その実現へ向け、個々の材料開発、印刷技術、無線技術、そしてそれらの集積化技術の開発などの基礎をしっかりと研究しています。最近の成果として、皮膚温度、心電、人の活動量、紫外線量を同時計測する絆創膏型のセンサシートを、印刷技術により作製することに成功しました。現在は、本技術をさらに発展させ、さらに無線回路、信号処理回路、電源等を搭載することでプロトタイプを開発し、その実用化へ向けた可能性を探索しています。また同時に、新たなセンサを開発することでより多くの健康状態をリアルタイム計測する方法などの研究開発を行っています。その一例として、汗の成分を解析するセンサを開発し、スポーツ応用等への応用展開も模索しています。なお、皮膚への添付による生体信号計測実験は、大阪府立大学の倫理委員会の承認を得て実施しております。
Reference
1. W. Honda, S. Harada, T. Arie, S. Akita, K. Takei, "Wearable human-interactive health-monitoring wireless devices fabricated by macroscale printing techniques", Advanced Functional Materials, Vol. 24, pp. 3299-3304, 2014.
2. W. Honda, T. Arie, S. Akita, K. Takei, "Printable and foldable electrodes based on a carbon nanotube-polymer composition", Physica Status Solidi A, Vol. 11, pp. 2631-2634, 2014.
3. K. Takei, W. Honda, S. Harada, T. Arie, S. Akita, "Toward flexible and wearable human-interactive health-monitoring devices", Advanced Healthcare Materials, Vol. 4, pp. 487-500, 2015.
4. Y. Yamamoto, S. Harada, D. Yamamoto, W. Honda, T. Arie, S. Akita, K. Takei, "Printed multifunctional flexible device with an integrated motion sensor for health care monitoring", Science Advances, Vol. 2, p. e1601473, 2016.
5. S. Nakata, T. Arie, S. Akita, K. Takei, "Wearable, flexible, and multifunctional healthcare device with an ISFET chemical sensor for simultaneous sweat pH and skin temperature monitoring", ACS Sensors, Vol. 2, pp. 443-448, 2017.
6. S. Nakata, M. Shiomi, Y. Fujita, T. Arie, S. Akita, K. Takei, "A wearable pH sensor with high sensitivity based on a flexible charge-coupled device", Nature Electronics, Vol. 1, pp. 596-603, 2018 (See also News & Views of Nature Electronics). Free access for "view only version" click here
7. K. Xu, Y. Lu, S. Honda, T. Arie, S. Akita, K. Takei, "Highly stable kirigami-structured stretchable strain sensors for perdurable wearable electronics", Journal of Materials Chemistry C, Vol. 7, pp. 9609-9617, 2019.
IoTデバイス
フレキシブルセンサシートを応用利用することにより、物体表面を流れる風の流れ分布（例えば乱気流や風の剥離など）を物体表面形状を害することなく計測するセンサアレイを実現しました。また室内環境を計測する技術であったり、布で形成した洗濯が可能で耐久性を有した圧力分布を計測センサシートなども開発しています。このように実際に需要のあるセンサ応用に注目し、フレキシブルセンサの実用化へのブレイクスルーを探索しています。
Reference
1. Y. Hasuike, T. Arie, S. Akita, K. Takei, "Planar-type printed flexible mechanical switch", Advanced Electronic Materials, Vol. 4, p. 1800134, 2018.
2. S. Honda, Q. Zhu, S. Satoh, T. Arie, S. Akita, K. Takei, "Textile-based flexible tactile force sensor sheet", Advanced Functional Materials, Vol. 29, p. 1807957, 2019.
3. K. Xu, Y. Lu, T. Yamaguchi, T. Arie, S. Akita, K. Takei, "Highly precise multifunctional thermal management-based flexible sensing sheets", ACS Nano, in press 2019.
人工電子皮膚デバイス
ナノ・マイクロ材料を用いたデバイス、特に無機ナノ半導体材料を用いた高機能デバイス、フレキシブルデバイス、エネルギー発電等を提案してきました。これまで実現が困難であった無機半導体材料を用いたフレキシブルデバイス及びその集積化を目指し、無機半導体材料ナノワイヤ（本研究では、Si, Ge, core/shell Ge/Si, InAsなど）をフレキシブル基板上にプリンティングする方法も提案してきました。そして大面積ナノ材料プリンティング法として、基板表面を単分子膜で修飾することによってファンデルワールス力を制御し、均一なナノ材料をマクロサイズレベルで形成する技術を開発しました。この技術を用いて、下図に示すような大面積 (7 cm × 7 cm)、フレキシブル (曲率半径 2.5 mm以下への曲げに対しても安定なトランジスタ特性)さらに伸縮性を有した、低電圧駆動 (5 V以下)のアクティブマトリックス回路集積の触覚センサアレイデバイス(人工皮膚センサ)を実現することに成功しました。本結果は、ナノ材料がこのようなフレキシブルデバイスへの応用に非常に有用であることを示すと同時に、ナノ材料の大面積パターニング法および集積化技術の可能性を示すものであり、今後のナノ材料の実用デバイスへ向けた応用への非常に重要な技術・知見となることが期待できます。その他にも、動物の機能から学び、そして真似ることで様々なデバイスの開発も行っています。例えば、動物の髭（ウィスカー）は、曲げに対して非常に感度が高く、動物の生活に重要な機能を持つと同時に、その末梢神経から脳への信号伝播・信号処理というものは非常に興味深いものです。そこでその研究の第一段階として混合ナノ材料とMEMS技術を応用・融合することにより、高感度人工ウィスカーアレイを提案しました。本デバイスにより人間や動物が感じる風のような非常に微小な力（10 Pa以下の微弱な風）も検出が可能となりました。さらに本ウィスカーアレイに用いた歪みセンサを応用することで、フレキシブル基板上に、完全印刷技術による3軸フォースセンサを実現し、人の手のように「触覚」「摩擦」「温度」分布を検知する電子皮膚デバイスを開発しました。このように動物の機能を真似たり、または人間との双方向会話を可能とするような全く新しいデバイス構造を提案、そして実現することによって研究の新規性を見出していくことで、次世代電子デバイス分野への貢献を目指しています。また全く新しい構造体をフレキシブル基板上へ集積化させることによって次世代のデバイスの実現と同時に、新しいプロセス技術などの開発も行っています。
References
5. C. Wang, D. Hwang, Z. Yu, K. Takei, J. Park, T. Chen, B. Ma, A. Javey, “User-interactive electronic-skin for instantaneous pressure visualization”, Nature Materials, Vol. 12, pp. 899-904, 2013.
6. K. Takei, Z. Yu, M. Zheng, H. Ota, T. Takahashi, A. Javey, "Highly sensitive electronic whiskers based on patterned carbon nanotube and silver nanoparticle composite films", Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), Vol. 111, pp. 1703-1707, 2014.
7. S. Harada, W. Honda, T. Arie, S. Akita, K. Takei, "Fully printed, highly sensitive multi-functional artificial electronic whisker arrays integrated with strain and temperature sensors", ACS Nano, Vol. 8, pp. 3921-3927, 2014.
8. S. Harada, K. Kanao, Y. Yamamoto, T. Arie, S. Akita, K. Takei, "Fully printed flexible fingerprint-like three-axis tactile and slip force and temperature sensors for artificial skin", ACS Nano, Vol. 8, pp. 12851-12857, 2014.
9. T. Yamaguchi, T. Kashiwagi, T. Arie, S. Akita, K. Takei, "Human-like Electronic Skin-Integrated Soft Robotic Hand", Advanced Intelligent Systems, Vol. 1, p. 1900018, 2019.
10. S. Wakabayashi, T. Yamaguchi, T. Arie, S. Akita, K. Takei, "Out-of-plane electric whiskers based on nanocarbon strain sensors for multi-directional detection", Carbon, in press 2019.
新規構造による高性能トランジスタ
極薄膜III-V族半導体をSi/SiO2基板上に転写することによって、高性能トランジスタを作製する技術の提案及びその特性の評価などを行っています。これによりIII-V族半導体をSi/SiO2基板上に直接形成することが可能となり、バンドギャップの非常に小さいInAs(n-type)やInGaSb(p-type)をトランジスタ材料として使用し、Si基板上で高いON/OFF比と高移動度 (~4000 cm2/Vs)のトランジスタの作製にそれぞれ成功してきました。また初めてIII-V族半導体CMOSをSi/SiO2基板上に形成することにも成功してきました。さらにこのようなナノ材料を絶縁膜上に直接形成することが可能となり、半導体物理としてもInAs層を極薄膜(ボーア半径以下<~30nm)にすることにより、3次元から2次元と構造が変化する過程での量子効果による電気的特性の変化や、半導体と金属間のコンタクト抵抗の変化などを観測することにも世界で初めて成功しました。これらの成果は、次世代トランジスタの可能性を示唆すると同時に、単一での無機半導体材料の量子効果による現象を明確に観察したものであり、今後のナノ半導体デバイス実現への半導体物理として非常に有用な知見となることが考えられます。このように新しい構造体を提案し、実際に作製することによってこれまで観察が困難であった特性などを見出し、また解析することによって新たな知見の探索を行っています。
References
6. K. Takei, R. Kapadia, Y. Li, E. Plis, S. Krishna, A. Javey, “Surface charge transfer doping of III-V nanostructures”, Journal of Physical Chemistry C, Vol. 117, pp. 17845-17849, 2013.