単結晶Ｓｉナノ構造体の機械特性評価と寸法効果の完全解明

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本研究では，完全表面・完全結晶を持つ単結晶Siナノワイヤの作製技術とナノスケール材料の機械特性評価技術を確立し，加工によるプロセス効果を含まない機械特性のサイズ効果を解明することを目的としている．最終年度となる平成27年度，2つの課題を中心に研究を実施し，下記の成果を挙げた．【ナノ構造体の機械物性計測技術の確立】Siナノ構造体の機械物性を定量評価するために引張試験用MEMSデバイスを独自に設計開発した．デバイスは，櫛歯型の静電アクチュエータと静電容量センサから構成され，ナノ試験片に単軸引張負荷を付与でき，かつ試験片の伸びと試験片に付与された荷重とを実測できる．変位・荷重の計測分解能をそれぞれ1nm，10nNとしてデバイス設計を実施した．また，デバイスを電子顕微鏡内に導入し，引張試験中のナノ構造体の変形をその場観察・動画取得できる実験システムを構築した．【様々な製法で作製したSiナノ構造体の機械物性評価】FIBを用いたイオン注入とウェットエッチングで作製したSiナノ構造体と，犠牲酸化と酸化膜エッチングを繰り返して細線化したSiナノ構造体の引張評価を実施し，前年度に評価したFIB加工Siナノ構造体の機械物性と比較した．FIB注入Siナノワイヤのヤング率はFIB加工Siナノワイヤのヤング率の最低値と概ね一致した．一方，犠牲酸化Siナノワイヤのヤング率は単結晶Siのバルク値と概ね一致した．各試験片の断面TEM観察をもとに内部構造と機械物性との関係を評価し，製造プロセスの違いによるダメージ効果を検討した．以上の知見より，今後，内部構造が単一でその内部に界面がなく，かつ単結晶構造を有する幅10nm程度のSiナノ試験片を作製する技術が確立できれば，「プロセス効果を除く真のサイズ効果」を完全解明することができる可能性があると期待できる．