利用報告書 / User's Report

【公開日：2023.07.28】【最終更新日：2023.05.26】

課題データ / Project Data

課題番号 / Project Issue Number

22NM0034

利用課題名 / Title

二硫化モリブデン電界効果トランジスタを応用した分子センサーの開発

利用した実施機関 / Support Institute

物質・材料研究機構

機関外・機関内の利用 / External or Internal Use

外部利用/External Use

技術領域 / Technology Area

【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）加工・デバイスプロセス/Nanofabrication（副 / Sub）計測・分析/Advanced Characterization

【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）高度なデバイス機能の発現を可能とするマテリアル/Materials allowing high-level device functions to be performed（副 / Sub）量子・電子制御により革新的な機能を発現するマテリアル/Materials using quantum and electronic control to perform innovative functions

キーワード / Keywords

赤外・可視・紫外分光/Infrared and UV and visible light spectroscopy,リソグラフィ/Lithography,MEMSデバイス,ナノフォトニクスデバイス,ナノエレクトロニクスデバイス,スピントロニクスデバイス,原子薄膜,量子コンピューター,スピン制御,スピントロニクス,フォトニクス,表面・界面・粒界制御,超伝導


利用者と利用形態 / User and Support Type

利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)

和泉 廣樹

所属名 / Affiliation

東北大学

共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes

高岡 毅,坂下 晃輔,佐藤 碧,NASIR Uddin

ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes
利用形態 / Support Type

（主 / Main）機器利用/Equipment Utilization（副 / Sub）,技術補助/Technical Assistance


利用した主な設備 / Equipment Used in This Project

NM-601：電子ビーム描画装置 [ELS-F125]
NM-609：電子銃型蒸着装置 [ADS-E86]
NM-604：マスクレス露光装置 [DL-1000/NC2P]
NM-614：CCP-RIE装置 [RIE-200NL]
NM-629：ダイシングソー [DAD322]


報告書データ / Report

概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)

半導体デバイスの性能向上が望まれるなか、2次元層状物質は次々世代のチャネル材料として注目されている。遷移金属ダイカルコゲナイド（TMDC）は、グラフェンと並んで期待される2次元層状物質である。我々はTMDCの1種である二硫化モリブデンをチャネル材料に用いた電界効果トランジスタ（MoS2-FET）を作製し、電流の変化で分子を検出、識別できる新しいセンサーデバイスの実現を目指している。昨年度までに真空環境下で蒸着した分子の検出を達成した。次の段階として、より実用的な用途に期待できる、流れる溶液中での分子検出を実現したい。溶液環境下での分子検出は医療分野や環境保全分野をはじめとした幅広い応用につながり、喫緊の社会問題の解決に役立つと信じている。今年度はマイクロ流体環境下において、イソプロパノール（IPA）溶媒中のドーパミン分子（生体分子に関連する有機分子）を検出した成果を報告する。

実験 / Experimental

NIMSでは、MoS2薄膜を転写するためのアドレス基板の作製およびMoS2薄膜への電極取付けを実施した。4インチのSiO2 (285 nm) /p++-Si(001)ウェハーに対して、表面にアドレスパターンを取り付けた（マスクレス露光装置および6連電子銃型蒸着装置）。さらに、CCP-RIE装置を用いて裏面の酸化膜をエッチングした後、スパッタ装置（i-Miller）を用いてゲート電極を取付けた。最後にダイシングソーを用い、1チップ2 cm角のサイズにカットしてアドレス基板を作製した。続けて、MoS2薄膜をアドレス基板上に転写してレジスト (MMA/PMMA A2) を塗布した後、125 kV電子ビーム描画装置と6連電子銃型蒸着装置を用いてMoS2薄膜へのソース-ドレイン電極の取付けを行った。デバイス作製後は我々の研究室に持ち帰り、溶液環境下の分子検出に向けた準備と実験を行った。準備としてソフトリソグラフィと呼ばれる接合技術を使い、MoS2-FETとPDMSマイクロ流路を一体化した。実験ではマイクロ流路に溶液を流しながらプローバー装置で電気測定を行った。電気測定にはソース・メジャー・ユニットとしてKeithley 2634Bを使用し、ドレイン電流（Id）-ゲート電圧（Vg）特性を調べた。

結果と考察 / Results and Discussion

PDMSマイクロ流路付きMoS2-FETデバイス（以下、マイクロ流路デバイス）は、Fig. 1で図示した構造を持つ。NIMSのリソグラフィー装置と我々が蓄積したノウハウによって、高性能なマイクロ流路デバイスを量産できる体制を整えた。次に、マイクロ流路デバイスに異なる濃度のドーパミン溶液を流したときのId-Vg測定結果をまとめた（Fig. 2）。MoS2チャネル上を溶液が通過したとき（溶液の流速は100 μL/h）、ドレイン電流が減少した。また、溶液の濃度が大きいほどドレイン電流の減少量も大きかった。さらに、ドーパミン溶液の濃度としきい値電圧の関係をuptake曲線としてプロットした（Fig. 3）。しきい値電圧は微小量の濃度増加で急激にシフトし、濃度がさらに増加するにつれて次第にシフトが緩やかになった。この傾向は真空環境下での実験結果とも一致したため、マイクロ流路デバイスを用いることで溶液環境下の分子検出を達成できたと考えている。電流の減少としきい値電圧のシフトはドーパミンとMoS2との相互作用によって生じたと考えられるが、物理吸着によるダイポールの影響と化学吸着による電荷移動の影響のうち、どちらの影響が大きいかについてはさらなる考察が必要である。次年度以降は、電流変化のメカニズムについて議論を深めるとともに、溶媒やターゲット分子を変更して様々な溶液環境下の分子検出を目指したい。

図・表・数式 / Figures, Tables and Equations


Fig. 1. マイクロ流路デバイスの構造模式図。



Fig. 2. 各濃度のドーパミン溶液をマイクロ流路デバイスに流したときのId-Vg。横軸はデバイスに印加したゲート電圧、縦軸はデバイスのチャネルを流れるドレイン電流である。



Fig. 3. 各濃度のドーパミン溶液におけるId-Vgのしきい値電圧（uptake曲線）。横軸はドーパミン溶液の各濃度、縦軸は基準に定義した0μM（IPAのみを流したとき）のしきい値電圧と各濃度のしきい値電圧との差である。


その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)


成果発表・成果利用 / Publication and Patents

論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)
口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.
  1. T. Takaoka, et al., Wed-PO1D-2, The 12th International Conference on Porphyrins and Phthalocyanines.
  2. T. Takaoka, et al., 21p-P12-49, The 83rd JSAP Autumn Meeting 2022.
  3. Md Nasiruddin, et al., 18P-46, 14th International Symposium on Atomic Level Characterizations for New Materials and Devices '22.
  4. T. Takaoka, et al., 19P-45, 14th International Symposium on Atomic Level Characterizations for New Materials and Devices '22.
  5. Md Nasiruddin, et al., B4-04, Research Presentation Meeting of IMRAM, Tohoku University 22nd.
  6. Md Nasiruddin, et al., 17a-B414-2, The 70th JSAP Spring Meeting 2023.
  7. H. Waizumi, et al., 17a-B414-3, The 70th JSAP Spring Meeting 2023.
特許 / Patents

特許出願件数 / Number of Patent Applications：0件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件

スマートフォン用ページで見る