利用報告書 / User's Reports


【公開日：2024.07.25】【最終更新日：2024.05.21】

課題データ / Project Data

課題番号 / Project Issue Number

23UT1169

利用課題名 / Title

機能性酸化物を用いた生体センシングデバイス開発

利用した実施機関 / Support Institute

東京大学 / Tokyo Univ.

機関外・機関内の利用 / External or Internal Use

内部利用（ARIM事業参画者以外）/Internal Use (by non ARIM members)

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）次世代ナノスケールマテリアル/Next-generation nanoscale materials（副 / Sub）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

キーワード / Keywords

ライフサイエンス,eNose（電子鼻）,スパッタリング/ Sputtering,リソグラフィ/ Lithography,光リソグラフィ/ Photolithgraphy,電子線リソグラフィ/ EB lithography,電子顕微鏡/ Electronic microscope,光学顕微鏡/ Optical microscope,ナノワイヤー・ナノファイバー/ Nanowire/nanofiber,センサ/ Sensor


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)

田畑 仁

所属名 / Affiliation

東京大学大学院工学系研究科バイオエンジニアリング専攻

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

Chuanlai Zang,高村尭良,Ahamed E M K Ikball,Zhou Haolong,杉本雛乃,Md Shamim Sarker,Sankar Ganesh Ramaraj,山原弘靖

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）-


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

UT-503：超高速大面積電子線描画装置
UT-500：高速大面積電子線描画装置
UT-505：レーザー直接描画装置 DWL66+2018
UT-855：高精細電子顕微鏡


報告書データ / Report

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

体臭・口臭による病気診断は嗅診として知られ、例えば甘酸っぱい果実臭（ケトン臭）は糖尿病、アンモニア臭は腎臓病や肝機能障害といったニオイと疾患の関連が知られている。本研究では健康モニタリング・遠隔診療を可能とするニオイの数値化に向けて、皮膚ガス計測に必要なppb（parts per billion:10億分の1）オーダの超高感度なガスセンサ開発を目的とする。
　

実験 / Experimental

機能性酸化物ナノ構造は小型・安価・高感度ガス検出の利点があり、本研究では電子線リソグラフィとスパッタ法により4種の酸化物半導体シングルナノワイヤを作製した。走査型電子顕微鏡（SEM）とエネルギー分散型X線分析（EDS）により作製したナノワイヤの形状及び元素分析を実施した。

結果と考察 / Results and Discussion

　Figure 1に電子線リソグラフィにより作製した金属酸化物半導体ナノワイヤのSEM像とセンサ素子の光学顕微鏡画像を示す。n型半導体：酸化錫 (SnO2)、酸化チタン (TiO2)、酸化亜鉛 (ZnO)、酸化インジウム (In2O3)、四酸化三鉄 (Fe3O4)及びp型半導体：酸化ニッケル (NiO)、酸化銅 (CuO)のシングルナノワイヤをそれぞれ作製した。各材料の酸性度に依存して酸化性・還元性ガスに対する選択的ガス検出が期待される。ワイヤ幅は50−150 nmの範囲で所望の寸法が得られ、ワイヤ長は数μmに達している。
　Figure 2にIn2O3、SnO2、Fe3O4、TiO2ナノワイヤのEDSマッピング像を示す。各ナノワイヤは均一な元素分布を持ち、不純物の析出は確認されなかった。今後、各ナノワイヤのガス応答を調査し、機械学習によってガス認識を実現する。

図・表・数式 / Figures, Tables and Equations


Fig.1 Optical microscopy image of nanowire array sensor and SEM image of SnO2 single nanowire fabricated by EB lithography and sputtering.



Fig.2 SEM images and EDS mappings for In2O3, SnO2, Fe3O4, TiO2 single nanowires.


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)
  1. Haolong Zhou, Real-time detection of acetone gas molecules at ppt levels in an air atmosphere using a partially suspended graphene surface acoustic wave skin gas sensor, Nanoscale Advances, 5, 6999-7008(2023).
    DOI: 10.1039/D3NA00914A
  2. Zhuozheng Shi, Enhancing Performance of Convolutional Neural Network-Based Epileptic Electroencephalogram Diagnosis by Asymmetric Stochastic Resonance, IEEE Journal of Biomedical and Health Informatics, 27, 4228-4239(2023).
    DOI: 10.1109/JBHI.2023.3282251
  3. Chuanlai Zang, SnO2–CuO Heterostructured Nanofibers for Enhanced NH3-Gas-Sensing Performance and Potential Application in Breath Analysis, IEEE Sensors Journal, 23, 17925-17931(2023).
    DOI: 10.1109/JSEN.2023.3294409
  4. Chuanlai Zang, Electronic nose based on multiple electrospinning nanofibers sensor array and application in gas classification, Frontiers in Sensors, 4, (2023).
    DOI: 10.3389/fsens.2023.1170280
  5. Zhiqiang Liao, Reconfigurable logical stochastic resonance in a hyperbolic one-site lattice with variable-barrier potential, Results in Physics, 49, 106469(2023).
    DOI: 10.1016/j.rinp.2023.106469
口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.
  1. 田畑 仁, 山原 弘靖, 木島 健, “静的・動的局結晶格子制御による酸化物材料の機能創発”, 文部科学省マテリア先端リサーチインフラ「第2回革新的なエネルギー変換を可能とするマテリアル領域」シンポジウム(東京大学　武田ホール), 2024/01/23
  2. Haolong Zhou, Sankar Ganesh Ramaraj, Hiroyasu Yamahara, Hitoshi Tabata, “Detection of Skin gas molecules using Surface Acoustic Wave Graphene Gas Sensor”, MRM2023/IUMRS-ICA2023(Kyoto, Japan), 2023/12/14
  3. Sankar Ganesh Ramaraj, Haolong Zhou, Hiroyasu Yamahara, Hitoshi Tabata, “ppb level detection of Acetone gas molecules using Zeolite functionalized graphene nanoribbon FET sensor”, MRM2023/IUMRS-ICA2023(Kyoto, Japan), 2023/12/14
  4. Hiroyasu Yamahara, Kenyu Terao, Zhiqiang Liao, Siyi Tang, Ahamed E M K Ikball, Md Shamim Sarker, Munetoshi Seki, Hitoshi Tabata, “Spin wave propagation in spin cluster glass Co, Si-substituted rare-earth iron garnet thin films”, MRM2023/IUMRS-ICA2023(Kyoto, Japan), 2023/12/13
  5. Sankar Ganesh Ramaraj, H. Zhou, Shanmugam P. Elangovan, Toru Wakihara, H. Yamahara, H. Tabata, “Zeolite functionalized Graphene FET for effective detection of acetone gas molecules from the human skin”, 超秩序構造科学　第6回成果報告会(東京大学　武田ホール), 2023/11/17
  6. 田畑　仁, “機能性酸化物薄膜における傾斜格子ひずみ誘起超秩序構造とスピン・双極子物性”, 超秩序構造科学　第6回成果報告会(東京大学　武田ホール), 2023/11/17
  7. Chuanlai Zang, Haolong Zhou, Hiroyasu Yamahara, Hitoshi Tabata, “Visualization and Quantitative Analysis of Semiconductor Oxide Single Nanowire Array Based Electronic Nose”, ISSST2023 & ISAME2023(Barcelona, Spain), 2023/10/16
  8. Lihao Yao, Md Shamim Sarker, Hiroyasu Yamahara, Hitoshi Tabata, “Electrical Control of Magnon Interference in PZT/YIG System and Its Reconfigurable Logic Device Application”, iWOE29(Busan, Korea), 2023/10/16
  9. H. Yamahara, Z. Liao, Md. S. Sarker, S. G. Ramaraj, M. Seki, H. Tabata, “Correlation between magnetic relaxation and short-term memory in spin cluster glasses towards reservoir computing”, Beyond AI 研究推進機構 ポスター発表会(東京大学　武田ホール), 2023/10/10
  10. Md Shamim Sarker, Haining Li, E M K Ikball Ahamed, Hiroyasu Yamahara, Siyi Tang, Zhiqiang Liao, Tetsuya Iizuka, Munetoshi Seki, and Hitoshi Tabata, “Magnon relaxation in glassy ferromagnet towards neuromorphic computation”, Beyond AI 研究推進機構 ポスター発表会(東京大学　武田ホール), 2023/10/10
  11. Zhiqiang Liao, “Nonbistable Ising Machine with Stochastic Resonance Effect for Solving Combinatorial Optimization”, Beyond AI 研究推進機構 ポスター発表会(東京大学　武田ホール), 2023/10/10
  12. H. Tabata, H. Sugimoto, Y. Hamada, “Terahertz Plasmonics and Hyperspectral Imaging for Bio-Medical Applications”, 24th International Conference on Applied Electromagnetics and Communications - ICECOM 2023(Dubrovnik, Croatia), 2023/09/28
  13. E M K Ikball Ahamed, Md Shamim Sarker, Hiroyasu Yamahara, Hitoshi Tabata, “Spin wave modulation by strain induced remanent polarization in functional Iron Oxide thin films”, International Conference on Complex Orders in Condensed Matter(Evian, France), 2023/09/25
  14. Shamim Sarker, Hiroyasu Yamahara, Kenyu Terao, Siyi Tang, Sankar G Ramaraj, Lihao Yao, EMK Ikball Ahamed, Munetoshi Seki, Hitoshi Tabata, “Dynamic Redox Reaction-Driven Electrically Tunable Magnon FET”, 第84回応用物理学会秋季学術講演会(熊本城ホール他), 2023/09/23
  15. Ahamed Ikball, Md Shamim Sarker, Hiroyasu Yamahara, Munetoshi Seki, Hitoshi Tabata, “YIG/CoFeB µ-dot and µ-ring array devices as spin wave stopband notch filter”, 第84回応用物理学会秋季学術講演会(熊本城ホール他), 2023/09/22
  16. Zhuozheng Shi, Zhiqiang Liao, Hitoshi Tabata, “Enhancing Performance of Convolutional Neural Network-based Epileptic ·Electroencephalogram Diagnosis by Asymmetric Stochastic Resonance”, 第84回応用物理学会秋季学術講演会(熊本城ホール他), 2023/09/21
  17. Chuanlai Zang, Hiroyasu Yamahara, Hitoshi Tabata, “Visualization and Quantitative Analysis of Semiconductor Oxide Single Nanowire Array Based Electronic Nose”, 第84回応用物理学会秋季学術講演会(熊本城ホール他), 2023/09/21
  18. Sankar Ganesh Ramaraj, Haolong Zhou, Yamahara Hiroyasu, Tabata Hitoshi, “Detection of acetone gas molecules from the human skin using Zeolite functionalized Graphene FET gas sensor”, 第84回応用物理学会秋季学術講演会(熊本城ホール他), 2023/09/2
  19. 高橋 茉由子、杉本 雛乃、田畑 仁, “トポロジカル絶縁体を用いたTHz SPRによる生体分子間特異結合検出にむけた研究”, 第84回応用物理学会秋季学術講演会(熊本城ホール他), 2023/09/20
  20. Zhiqiang Liao, Keying Huang, Siyi Tang, Hiroyasu Yamahara, Munetoshi Seki, Hitoshi Tabata, “Noise-robust logic gate based on double-well Dikandé–Kofané potential”, 第84回応用物理学会秋季学術講演会(熊本城ホール他), 2023/09/20
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

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