高橋 琢二/TAKAHASHI Takuji

高橋 琢二 教授

【研究分野】
ナノ物理・デバイス分野
【研究領域】
ナノプロービング技術
【研究室URL】
http://www.spm.iis.u-tokyo.ac.jp/index-j.html

研究内容

太陽電池の主要材料となっている多結晶・微結晶系半導体材料や、将来のナノデバイスの構成要素となり得るカーボンナノチューブ、量子ドットなどのナノ材料における微視的な材料物性を解明することを目指して、ナノメートルオーダの分解能を有する走査プローブ顕微鏡(ナノプローブ)技術を応用した独自の計測技術の開発などを進めています。以下にいくつかの研究テーマを紹介します。

太陽電池材料の多角的評価

試料の局所的な表面電位を計測できるケルビンプローブフォース顕微鏡(KFM)を改良して光照射下で動作する測定系を構築し、正確かつ局所的な光起電力測定を実現しています。この手法を適用することにより、多結晶シリコン系やCu(InGa)Se2[CIGS]などの化合物半導体系の太陽電池材料について、それらの光起電力特性や少数キャリアの寿命、拡散長、移動度などの諸物性を多角的に評価する研究を進めています。特に、CIGS系材料は、太陽電池材料としての高いポテンシャルが確認されている一方で、μm径程度の微結晶の集合体であるために、その結晶粒界の振る舞いなどの材料的な物性には未解明な点が多く残されており、ナノプローブによる局所的な計測によってその物性を解明することで、さらなる特性の改善への道を拓くことを目指しています。

カーボンナノチューブFETチャネルの動作解析

カーボンナノチューブ(CNT)は、理想的には純粋な一次元伝導体となるため、CNTを電界効果トランジスタ(FET)のチャネルとすることで高い性能が実現される可能性があります。高速動作が期待されるマルチチャネル型CNTFETにおいては、現在、CNTチャネルごとの特性のばらつき具合の解明が一つの課題となっています。当研究室では、高空間分解能を有する磁場センサである磁気力顕微鏡(MFM)による電流誘起磁場の観測を通じて電流を定量評価する手法を開発しており、その手法を適用することで、複数のCNTチャネルから任意の一本を選択して、その動作を解析することに成功しています。

量子ナノ構造の物性解明

独自に開発した光照射STM法を利用して、単一のInAs細線構造における光吸収特性などの光学的物性を解析しています。また、AFMによる静電引力検出法やその静電引力を利用した表面電位計測手法(KFM)について、測定精度や確度を向上させるために、静電引力に対する感度が向上するサンプリング法や、電位決定の空間分解能が向上する間欠バイアス法を提案して、世界トップレベルの空間分解能を達成した上で、単一のInAs量子ドットへの電荷蓄積効果などの検証を進めています。

ナノプローブ系をより便利にするために

ナノプローブ系では、非常に高い空間分解能が達成されている反面、通常はプローブの位置を常にフィードバック制御し続ける必要があるため、その動作速度が遅く、観測のスループットが低いという欠点を持っています。このような欠点を克服して高速な画像獲得を可能にするために、探針の変位量をサンプル・ホールド回路によって逐次取り込む新しいデータ獲得モードを提案し、通常モードと比べて約30倍の高速での走査を実現するなど、ナノプローブ系をより便利に使えるツールとすることにも取り組んでいます。

学生へのメッセージ

実験を中心とした研究では、時には失敗続きでうまく先へ進めないこともあります。ですが、一つずつ問題点を洗い出し、それを克服しながらねばり強く挑戦していけば、必ず道は見えてきます。やればできることがわかっていること、をするのは研究ではありません。また、「楽な研究」もあり得ません。困難に立ち向かう勇気と気概を持って、大学院での研究に取り組んで下さい。努力すればするだけ、達成感・充実感を味わえるはずです。当研究室のある駒場第二キャンパスは、研究者中心の静かな環境にあり、落ち着いて研究に取り組めます。もちろん、たまには(頻繁に?)、歩いて10分余の下北の街で仲間と酒を酌み交わすのも良いでしょう。メリハリを大切に。

図1:光照射KFMによるCIGS太陽電池の特性評価
図2:MFM電流誘起磁場計測法によるCNT-FETでの個別チャネルの動作解析
図3:単一InAs細線での光誘起STM電流測定(赤矢印は照射光の偏光方向)
図4:主なナノプローブ実験系