平成２８年７月２０日
科学技術振興機構（ＪＳＴ）
九州大学
慶應義塾大学
九州大学 先導物質化学研究所の柳田 剛 教授らの研究グループは、従来の１０億分の１のエネルギー（ｐＪ：ピコジュール注１））で駆動する分子センサを世界に先駆けて開発しました。従来のガスセンサでは、その消費エネルギーが極めて大きく（～ｍＪ：ミリジュール）、センサエレクトロニクス応用は困難であり、より少ない消費エネルギーで駆動する高感度な分子センサの開発が来たるＩｏＴ（モノのインターネット）注２）社会に向けて強く望まれていました。
本研究グループは、ナノスケール領域における熱を時間・空間的に制御するという新しい概念をナノ分子センサに導入することで、開発に成功しました。
本分子センサデバイスは、我々の健康に関連した揮発性化学物質をモバイル機器で検知する新しい技術へと発展し、集めた化学物質データをビッグデータとして活用する新しいビジネス展開も期待されます。
本研究は、慶應義塾大学 理工学部の内田 建 教授と共同で行ったものです。
本研究成果は、２０１６年７月１９日に米国化学会誌「ＡＣＳ Ｓｅｎｓｏｒｓ」に掲載されました。
本成果は、以下の事業・研究領域・研究課題によって得られました。
戦略的創造研究推進事業 チーム型研究（ＣＲＥＳＴ）
| 研究領域 | 「素材・デバイス・システム融合による革新的ナノエレクトロニクスの創成」 （研究総括：桜井 貴康 東京大学 教授） |
|---|---|
| 研究課題 | 「極細電荷チャネルとナノ熱管理工学による極小エネルギー・多機能センサプラットフォームの創製」 |
| 研究代表者 | 内田 建（慶應義塾大学 理工学部 教授） |
| 研究期間 | 平成２５年１０月～平成３１年３月 |
近年のモバイル（持ち運び可能な）機器の急速な発展や普及によって、以前は予想できなかった時間的・空間的なビッグデータの収集が可能になりつつあります。ＡＩ注３）などの情報処理技術の革新的進展により、これらのデータを活用した新しい科学技術が生まれようとしています。現在のモバイル機器では、温度、位置、動きなどの物理的なデータを収集できていますが、今後は我々の健康に関連した多種多様な化学物質に関するデータを電子デバイスで収集する新しいセンサエレクトロニクスが重要になります。しかし、従来のガスセンサなどでは極めて大きな消費エネルギー(～ｍＪ)を必要とし、モバイル機器への展開は困難でした。そのため、センサエレクトロニクスとして適用可能な超低消費エネルギーかつ高感度な化学分子センサの開発が強く望まれていました。
本研究では、低消費エネルギーかつ高感度な分子センサを実現するために、下記に示すアプローチを提案、実証しました。
ナノワイヤー注４）分子センサの原理は、酸化物材料から構成されるナノワイヤー表面において、ターゲット分子が酸化還元反応を起こすことでナノワイヤーの電気抵抗値を変化することに由来しています。このナノワイヤー表面における酸化還元反応を生じさせるためには、反応の活性化エネルギーを超える熱のアシストが必要であったが、下記のナノ時空間制御により低消費エネルギーを実証しました。
従来の連続加熱法注９）では、高温時の電気抵抗値を測定する必要があったが、パルス自己加熱法を用いることで、パルス加熱を停止している間（すなわち、低温時）に抵抗値を読み取ることが可能となり、半導体の温度特性から、従来の連続加熱法よりもセンサ感度が向上することを見出しました。
従来法では、２００～３００℃程度にセンサ周辺部を加熱する必要があったため、プラスチック基板を利用することができなかった。本手法では所定のナノサイズ空間だけにピンポイントで加熱することが可能であるため、従来技術では適用が困難であった温度に弱いプラスチック基板上における分子センサを搭載できることを実証しました。
本研究で提案・実証した分子センサは、我々の健康状態に関連した揮発性化学物質を、従来のような検査装置がある場所に行くことなく、身の回りの電子デバイスに組み込む可能性を開き、場所を選ばず、簡便かつ高感度に検知・収集する新しい科学技術へと発展することが期待されます。具体的にはより複雑な分子構造を電流検知することを可能とし、危険物質の検出や肺がんマーカー分子などの電流検出へと展開を見据えています。さらに、将来のＩｏＴ社会でモバイル機器などから収集された化学物質のビッグデータを活用する展開が想定されます。
| タイトル | “Nanoscale Thermal Management of Single SnO2 Nanowire: pico-Joule Energy Consumed Molecule Sensor” （一本のＳｎＯ２ナノワイヤーにおけるナノスケール熱制御：ピコジュールエネルギー消費分子センサ） |
|---|---|
| 著者名 | Gang Meng, Fuwei Zhuge, Kazuki Nagashima, Atsuo Nakao, Masaki Kanai, Yong He, Mickael Boudot, Tsunaki Takahashi, Ken Uchida and Takeshi Yanagida |
| 掲載誌 | ＡＣＳ Ｓｅｎｓｏｒｓ |
| doi | 10.1021/acssensors.6b00364 |
柳田 剛（ヤナギダ タケシ）
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内田 建（ウチダ ケン）
慶應義塾大学 理工学部 電子工学科 教授
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