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Akita University
氏
名（本籍）
徳
悠葵（鹿児島県）
専攻分野の名称
博士（工学）
学 位 記 番 号
工博甲第２１１号
学位授与の日付
平成 26 年 3 月 22 日
学位授与の要件
学位規則第４条第１項該当
研究科・専攻
工学資源学研究科（生産・建設工学）
学位論文題名
Development of Nanocoil Formation Technique by Inducing
Self-Deformation.
(自己変形発現によるナノコイル形成技術の開発)
論文審査委員
（主査）教 授
村岡
幹夫
（副査）教 授
神谷
修
（副査）教 授
渋谷
嗣
（副査）准教授 奥山
栄樹
論文内容の要旨
Various methods have been proposed for fabricating nanocoils in order to extend the
range of elements for producing nanodevices. Most of these methods are based on
self-assembly technique, such as chemical synthesizing with catalyst. An alternative
method in which a straight nanowire (NW) is bent by depositing a thin film on the NW
has been demonstrated [Muraoka, et al., J. Nanosci. Nanotechnol. 8, 439 (2008)]. The
bending is due to the misfit strain of the coating film. However, nanocoil formation
using this method was highly inefficient.
In order to enhance the bending, the author has developed an advanced method, in
which the helical formation of coated NWs takes place because of the viscous flow of the
core material (VFCM) and the misfit strain of the coating film. The author focused on
the difference between the melting temperatures of the core (NW) and the coating
materials. When the melting temperature of the NW material is lower than that of the
coating, elevating the temperature induces the viscous flow (creep) that occurs only in
the NW. The creep releases the constraint of the NW on elastic bending due to film
strain. Heat treatment significantly enhances the bending of the coated NW and also
the removal of the residual stress. The VFCM method is expected to be adopted for
many application of nanocoil at a low cost because of its simplicity. Especially it is
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expected as useful method for producing the future electronic component such as
nanoinductor by selecting a metal as a coating material of nanocoil.
In this thesis, the author studied the control technique for fabricating
micro/nanocoils by using the VFCM method, through focusing on an investigation of the
effects of the thickness of coating film on coil formation. In addition, the electromagnetic
properties of the fabricated coils were evaluated.
The thesis consists of six chapters. In Chapter 1, the author presented an
introduction containing the background and purpose of the thesis.
Chapter 2 was devoted to developing a nano-manipulator, which was necessary for
fabrication and manipulation of nanocoils in the experiments. It allowed us to separate
and reposition an individual nanomaterial through high degree of freedom motions of a
gripper, together with an acoustic oscillator attached to the base of the gripper for
vibrating. As an example of the efforts, the author successfully picked up a copper (II)
oxide (CuO) NW grown on a substrate and then repositioned the NW. During the
picking-up process, the NW was statically bent to break at the root by the gripper motion,
or cyclically bent using the acoustic oscillator to induce a fatigue fracture. During the
repositioning process, natural adhesion between the NW and the gripping surface (the
microcantilever surface) often presented a challenge when removing the NW. This
difficulty was overcome by vibrating the gripping surface, which resulted in the
reduction of the adhesion effects. The mechanism of the reduction was discussed in
terms of the relationship between the adhesion energy and the peeling force acting on
the NW.
In Chapters 3 and 4, the effects of the thickness of coating film on nanocoil formation
by using the VFCM method were investigated. In the author’s previous study, it has
been speculated that the coil diameter might be proportional to the NW diameter.
Furthermore, when a NW with thinner coating film is used, there is a high possibility
that a coil with smaller diameter can be obtained. Thus, in order to fabricate small coil,
Chapter 3 studied the effect of film thickness on the formation of helical structure in the
case of very thin films (thickness < 5 nm). On the other hand, the melting points of
some materials are known to decrease due to the reduction of film thickness. This is
caused by the surface free energy and surface curvature of the material. Platinum (Pt) is
one of such materials. Meanwhile, Pt is considered as potential material for nanocoil
application because of high electrical conductivity. Hence, when Pt is used as the
coating material, the coating thickness has to be thick enough for preventing the
reduction of the melting point to withstand the heating process in VFCM. Thus, Chapter
4 discussed further about the effect of film thickness on coil formation in more general
cases, which cover not only very thin films (thickness < 5 nm), but also thicker one. It
was concluded that bending direction of the NW varies with increasing the coating film
thickness. This arises from the dependence of the misfit strain on the film thickness and
the nonuniform film thickness along the circumference of the NW. In addition, three
dimensional theoretical models for analyzing the VFCM method were also proposed in
Chapters 3 and 4.
In Chapter 5, the author evaluated the electromagnetic properties of a microcoil
fabricated from a Pt-coated CuO NW by using the VFCM method. The voltage versus
current values for the microcoil were measured by performing a current test. Direct
current was supplied to the coil connected with Au electrodes, and the voltage
corresponding to the electrical current was measured using a four-point probe method.
The magnetic field at the allowable current flow in the coil was also predicted. The
results of the current test showed that the coil could generate 1.01 × 104 T of magnetic
flux density at 500 A and the inductance of the coil was estimated to be 5.3 pH.
Further, the coil had low resistivity on the scale of 104 cm.
Finally, Chapter 6 was the conclusions of the present study.
論文審査結果の要旨
ナノコイルは，ばね要素のみならず，ナノスケールのインダクタとしてセンサや電磁波
吸収体への応用が期待されている。報告されているナノコイルの製法は，化学的な合成つ
まり材料が有する自己組織化能力を利用した手法がほとんどであり，そのため適用できる
材料に制限があった。著者らは，先に，直線状ナノワイヤへの周方向不均一成膜により，
膜の不整合ひずみを駆動源として曲げ変形すなわちコイル形成させるという独自の製法を
提案している。そこでは，コイル形成を促進するため，融点が膜材よりも低い材料のナノ
ワイヤを利用し，成膜後，加熱処理をすることによりコア部であるナノワイヤのみをクリ
ープ流動させ，変形拘束を解き放つという自己変形発現法すなわちコア流動法と名付けた
斬新な手法を考案している。本手法は，従来の化学合成による手法に比べ格段に材料の選
択範囲が広がり，また簡便であるという利点を有する。
本論文では，コア流動法によるナノコイル形成に及ぼす膜厚の影響に焦点をあて実験
的・理論的検討を行い，コイル形成の制御技術を確立した。さらに作製した金属被覆微小
コイルに対して，その電磁気的性質の評価を行った。
本論文は全 6 章から構成され，その概要は以下のとおりである。
第 1 章は緒論であり，本研究の背景，従来の研究の状況，著者らが先に考案したコア流
動法と従来法との比較ならびに本研究の目的を述べ，これに続く各章の関連性を説明した。
第 2 章では，ナノコイル形成および評価に不可欠なマニピュレーション技術を整備する
ため，多自由度の把持装置を新たに開発した。一般に，把持したナノワイヤはプローブと
の付着力により離脱することが困難となるが，これを克服するためプローブを高周波加振
するという新手法を導入した。
第 3 章では，不整合ひずみが比較的大きい Cr 膜に注目し，膜厚が 5 nm 以下の極薄膜の
場合について，CuO ナノワイヤのコイル形成に及ぼす膜厚の影響を調べた。その結果，膜
厚が小さいほど，コイル径が小さくなることを見出した。また，理論モデルの構築により，
コア流動後のコイル径が予測可能であることを示した。
第 4 章では，導電性の高い Pt 膜の利用に注目した。Pt 膜を用いてコア流動法を試みた結
果，膜厚が 5 nm 以下では，膜の融点降下が生じてしまいコア流動法が適用できないという
問題が明らかとなった。そこで，膜厚を 30 nm に増大させてコア流動を適用した結果，コ
イル形成が可能であることを見出した。また，膜厚の増加に伴い，曲げの方向が逆転する
現象を発見した。さらに，これらを定量的に説明できる理論モデルつまり膜厚が大きい場
合でも適用でき，かつ不整合ひずみの膜厚依存を考慮した理論モデルを新たに構築した。
第 5 章では，コア流動法により作製した Pt 被覆マイクロコイルに対して，通電試験を行
い，その導電率，許容電流，最大発生磁場およびインダクタンスを評価した。特に，その
導電率はカーボンマイクロコイルに比べて 1000 倍以上大きく，インダクタとして有効であ
ることが確認された。
第 6 章は総括であり，本論文で得られた結果を各章ごとにまとめた。
以上のように，本論文は，コア流動法という著者独自の手法によるナノコイル，マイク
ロコイルの形成技術に関して，その制御方法を実験的・理論的に検討し，また作製した導
電性マイクロコイルの特性を明らかにしたものであり，ナノテクノロジーの発展に寄与す
るところが大である。よって，本論文は博士論文として十分価値があり「合格」に値する
と認められる。