東北大学多元研　高桑研究室 本文へジャンプ

授業／研修／セミナー





物理学I（力学）

（全学教育・理学部：1セメスター、平成12年度～平成13年度）

シラバス

  1. 講義題目
    　物理学Ⅰ
  2. 授業の目的とねらい
    　将来の専攻分野で活用できるように、物理学の基礎としての物体の運動と力学について説明する。物理学で使う数学、例えば微分・積分、三角関数、ベクトル解析などの知識を前提にせず、必要に応じて最初から説明する。
  3. 授業の内容と進度予定
    • 運動の表し方　　　　　　：2回
    • 運動の法則　　　　　　　：2回
    • 運動の保存即　　　　　　：3回
    • さまざまな運動　　　　　：2回
    • 剛体の運動　　　　　　　：3回
    • 運動の座標系と特殊相対論：2回
    • 試験　　　　　　　　　　：1回
  4. 成績評価方法
    筆記試験の結果と出席状況を基に評価する。
  5. 教科書および参考書
    　江幡武、内田和喜男、坪田博明、『基礎物理学コース　力学』（学術図書出版）を教科書として使用するので、事前に各自購入すること。
  6. その他（受講者に対する要望等）
    　 特になし。



転換・少人数科目　　基礎ゼミ


概要

（東北大学HPより） 　
本学の「基礎ゼミ」は学生の「学び」を「受験中心型」から「大学での学び」へ転換させることを目的としたプログラムであり、新入生のほとんどがこれを初年次の第一セメスター（学期）に履修している。　　
　基礎ゼミは全学部・研究科、研究所、研究センター、大学病院に所属する教員のほか、名誉教授など毎年200名を超える教員がそれぞれ一定数のクラスを担当する全学的支援体制の下で運営されており、約150のテーマが提供されている。15名平均の学部横断型クラスでは実験をはじめとした多様な授業内容が展開され、学生は課題の調査、研究、発表、討論のプロセスを経て、これまでの詰め込み型「受験学習」から、自発的な「大学での学び」を体得する機会を得ることになる。

139　電子と光と物質 　木5
　　　　　　(2単位).　全学部対象.　開講セメスター：1

シラバス

（履修の手引きより）

授業科目の目的・概要及び達成目標等
  1. 目的と概要
    　粒子性と波動性とを示す電子および光の振る舞いや物質との相互作用について理解する。特に、通常の授業では体験できない最新の実験装置やモデル装置に直接触れながら、物質のミクロな構造が、電子および光との相互作用を介してどのように決定されるかを学ぶ。
  2. 到達目標
    　光や電子を用いて物質の構造を観察する模擬実験を通して、光や電子のもつ2面性（粒子性と波動性）および波による物質の観察とは何かについて理解する。
  3. スケジュール 　　　　　　　　　　　
    5月24日（高桑・虻川）　波としての電子、物質の構造を探る電子回折（講義と討論）
    5月31日（高桑・虻川）　回折によって原子配列を探る（実験）
    6月 7日（高桑・虻川）　実験のまとめと発表（討論と発表）
    6月14日（高桑・虻川）　実験室見学と研究紹介
  4. 成績評価方法
    　発表および発表資料の内容により評価する。
  5. 教科書および参考書
    　なし
  6. その他
    　本基礎ゼミは、片平キャンパスの多元物質科学研究所、科学計測研究棟S棟セミナー室で行う。


機械知能・航空研修I


シラバス

（東北大学工学部機械・知能系HPより）
授業科目の目的・概要及び達成目標等
  1. 目的
    　具体的な課題に関して自主的に調査や研究する能力を養い，その成果の発表と討論を通して発表の準備，発表の方法（態度），質疑応答の方法等を学ぶとともに，各自の選んだ専門分野の種々の課題に対する理解を深める．
  2. 概要
    選択・決定した分野に分かれて受講する．各分野で独自に設定される研修課題の概要説明を受けたのち，学生１人ごとに独立した研究課題が与えられ，それに関して各自調査研究や実験あるいは解析研究の体験実習等を行う． その成果を分野ごとに開かれる研修発表会にて発表し，その内容に関して相互に討論（質疑応答）を行う．
  3. 達成目標等
    この授業では，主に以下のような能力を習得することを目標とする．
    ・具体的な課題に関して自主的な調査や実験あるいは解析の実習を行うことができる． 　
    ・調査研究や実習内容の成果を簡潔にまとめ，その内容を第三者にわかりやすく発表することができる． 　
    ・討論に参加し，自分の意見を述べることができる．

他の授業科目との関連及び履修上の注意
　この授業は，自ら調査や研究（実習）を行い，その成果をまとめ発表するとともに，他人の発表内容に対して意見を述べ合い討論を行う，という能力を養う極めて重要な教育の第１歩である． 次の機械知能・航空研修ＩＩさらには卒業研究へとつながる．自ら行う調査や研究（実習）内容の発表の重要性は言うまでもないが，他の学生の発表内容に対しての討論（質疑応答）に積極的に参加し， 他者の研究を正確に理解し，かつ自分の研究にも生かしていく姿勢も極めて重要である．

平成22年度の課題(1)：「配線応用カーボン材料のCVD成長と評価」

　内容：光電子制御プラズマ誘起化学気相堆積法（CVD）は次世代電子デバイスプロセスに不可欠な薄膜成長手法である。この光電子制御プラズマの原理、特徴、発生方法、応用例について参考図書を用いて理解を深める。実際に光電子制御プラズマCVD装置 を用いてカーボン材料をCVD成長させる。成長させたカーボン材料薄膜はラマン分光法によって測定し、炭素原子の結合状態を評価する。プラズマCVDによる薄膜成長実験と膜質評価実験を実際に行うことにより、ナノスケールのものづくりを体験する。

平成22年度の課題(2)：「X線光電子分光による金属試料の表面組成評価」

　内容：最先端の電子デバイス開発では、薄膜や表面の組成分析が不可欠である。組成分析の手法は様々あるが、試料を非破壊で分析できる手法としてX線光電子分光（XPS）が重要な役割を担っている。このXPSについて原理、特徴、装置構成、測定例を学習し、 実際に超高真空XPS装置を用いて金属試料の組成分析を行う。実習を通して理化学機器の安全な取り扱い方を学ぶとともに、得られた実験データの解析に基づいてXPSによる材料組成の決定手法について理解を深める。



過去の課題：「電子分光法による固体表面分析」

　内容：固体表面は、原子が外界と接する場所であり、固体が気体分子や液体と反応する場所である。 また、半導体表面においては、結合の組み変えや大きな構造変化が起こることが多く、それが半導体デバイス等の性質に大きな影響を及ぼす。 このようなデバイスのサイズがどんどん小さくなっている現在のナノテクノロジーの時代では、固体表面の性質を詳細に理解することが必要である。 電子分光法の代表であるＸ線光電子分光法（XPS）とオージェ電子分光法(AES)は固体表面の組成分析の重要な手段である。 本テーマではＸＰＳとＡＥＳについて調べ、測定原理、特徴、実験装置、測定例の各項目についてまとめる。研修においては専門書を用いて基礎的な理解を図るとともに、 実際に研究室に整備されている装置を見聞する。それらを下に、ナノテクノロジーなどにおけるXPS, AESの役割についても理解する。




機械知能・航空研修II

シラバス

（東北大学工学部機械・知能系HPより）
授業科目の目的・概要及び達成目標等
  1. 目的
    文献の調査，整理を行い，内容をまとめて講演発表を行うことにより，文献調査の方法，最新の研究方法，論文要旨の作成，講演発表・質疑応答の方法を修得する．
  2. 概要
    　所属するコースごとに分かれて受講する．指導教員より卒業研究のテーマに関連した文献を与えられた後，文献の調査，整理を行い，論文内容をまとめた要旨を作成する． 課題論文について各自調査・学習した内容を，コースごとに開催される研究発表・討論会にて発表し，その内容に関して討論を行う．
  3. 達成目標等
    　この授業では，主に以下のような能力を習得することを目標とする．　
    ・具体的な課題（論文）に関して自主的な調査研究を行うことができる．
    ・論文内容を簡潔にまとめ，それをわかりやすく記述することができる．
    ・討論に参加し，自分の意見を述べることができる．
    ・討論に参加し，聴衆からの質問に的確に答えることができる．

他の授業科目との関連及び履修上の注意
　この授業は，配属された研究室において自らの卒業研究をよりスムーズに開始するための重要な第１歩である． 今後，必要な論文調査能力や，論文内容の理解力を養うと共に，その成果をまとめ発表し，また他人の発表内容に対して意見を述べ討論を行う，という能力を養う極めて重要なステップであり，のちの卒業研究へとつながる． 自ら行う発表の重要性は言うまでもないが，他の学生の発表に対しての討論に積極的に参加していく姿勢も極めて重要である．
　

平成２４年度の課題論文：


題目：Measurement of Magnesium Oxide Sputtering Yields by He and Ar Ions with a Low-Energy Mass-Selected Ion Beam System
著者：K. Hine, S. Yoshimura, K. Ikuse, M. Kiuchi, J. Hashimoto, M. Terauchi, M. Nishitani, and S. Hamaguchi
雑誌名：Japanese Journal of Applied Physics 46 (2007) L1172
概要：
（担当学生：小谷川佑介）

題目：Initial oxidation of polycrystalline Permalloy surface
著者：M. Salou, B. Lescop, S. Rioual, A. Lebon, J. Ben Youssef, B. Rouvellou
雑誌：Surface Science 602 (2008) 2901.
概要：
（担当学生：渡邊彩香）


これまでの課題論文

平成２３年度
題目：Vestiges of Multiple Progressive Dielectric Breakdown on HfSiON Surfaces
著者：T. Hayashi, C. Tamura, M. Sato, R. Hasunuma, and K. Yamabe
雑誌名：Japanese Journal of Applied Physics 48 (2009) 05DD02
概要：次世代MOSFETのゲート絶縁膜として利用が期待されているHfSiON膜の絶縁破壊メカニズムについて、伝導原子間力顕微鏡で調べた論文。 HfSiON膜に印加された電圧がアモルファスのHfSiON膜の結晶化を引き起こし、その箇所が絶縁破壊の原因になることが明らかにされた。
（担当学生：林広幸）

題目：Sequential analysis of diamond nucleation on silicon (001) with bias enhanced nucleation using X-ray photoelectron spectroscopy and reflection high energy electron diffraction investigations
著者：C. Sarrieu, N. Barth, A. Guise, J. C. Arnault, S. Saada, S. Barrat, and E. Bauer-Grosse
雑誌：Physica Status Solidi A 206 (2009) 1967.
概要：Si基板上へのダイヤモンドヘテロ成長におけるダイヤモンド核発生過程についてプラズマ電圧と核発生密度について調べた論文。 高バイアスプラズマにおける核発生では高エネルギーイオン衝突のため、低バイアスでは表面に堆積したアモルファス状炭素の除去ができないため、ダイヤモンド核発生効率が低下することが明らかにされた。
（担当学生：川田麻由梨）

平成２２年度
題目：Control of Nigrogen Depth Profile near Silicon Oxynitride/Si(001) Interface Formed by Radical Nitridation
著者：K. Kawase, T. Suwa, M. Higuchi, H. Umeda, M. Inoue, S. Tsujikawa, A. Teramoto, T. Hattori, S. Sugawa, and T. Ohimi
雑誌名：Japanese Journal of Applied Physics 45 (2006) 6203-6209.
概要：窒素プラズマを用いてSiO2/Si基板を窒化し、SiON膜の形成過程を調べた論文。Ar/N2、Kr/N2、Xe/N2、Ar/NH3のそれぞれのプラズマを用いてSiON膜を形成したとき、Ar/N2およびKr/N2プラズマでは生成したN2+イオンがSiO膜にダメージを与えること、Ar/NH3プラズマではNHxラジカルがSiO2/Si界面の平坦性を 悪化させることが述べられ、直接窒化にはXe/N2プラズマが最も適していることが明らかにされた。
（担当学生：西本究）

題目：Synsesis of N-Doped Graphene by Chemical Vapor Deposition and Its Electrical Properties
著者：D. Wei, Y. Liu, Y. Wang, H. Zhang, L. Haung, G. Yu
雑誌名：Nano Letters 9 (2009) 1752-1758.
概要：高温にした銅／ケイ素基板をアンモニア、メタン、水素の混合ガスに曝すことによって、メタンとアンモニアが熱分解し、基板上に窒素ドープしたグラフェンが成長できたことを紹介した論文。Nドープグラフェンでは、ドープした窒素のほとんどは炭素と置換してグラフェン内に取り込まれていること、 Nドープグラフェン作製したトランジスタはn型半導体の挙動を示すことが述べられている。
（担当学生：渡辺大輝）

平成２1年度
題目：Fabrication of vertically aligned carbon nanowalls using capacitively coupled plasma-enhanced chemical vapor deposition assisted by hydrogen radical injection
著者：M. Hiramatsu, K. Shiji, H. Amano, and M. Hori
雑誌名：Applied Physics Letters 84 (2004), 4708-4710.
概要：水素ラジカル注入と組み合せた容量結合型プラズマCVDプロセスにより、基板に垂直に配向したカーボンナノウォール（Carbon Nano Wall: CNW）を成長できたことを紹介した論文。水素ラジカルを注入することによりCNWの結晶性が向上すること、そして、膜厚は成長時間に依存せず20-30 nmでほぼ一定であるが、高さは成長時間に比例して増加し、そのときの成長属度は～180 nm/hであることが述べられている。
（担当学生：尾白佳大）

平成２０年度
題目：Surface activated bonding of silicon wafers at room temperature
著者：H. Takagi, K. Kikuchi, R. Maeda, T.R. Chung, and T. Suga
雑誌名：Applied Physics Letters vol. 68 (1996) 222-2224.
概要：表面活性化常温接合プロセスにより、接着剤なしでSi基板をSiウェハに接合できたことを紹介した論文。 真空中で高速Ar原子ビームを照射することにより酸化膜を除去し、 Si表面の未結合手を出現させることにより、Si部材同士を加圧することないし室温で接合することができ、接合界面の引っ張り強度はSi母材と同程度であることが述べられている。
（担当学生：大友悠大）

平成１９年度
題目：Quality of SiO2 and of SiGe formed by oxidation of Si/Si0.7Ge0.3 heterostructure using atomic oxygen at 400℃
著者：H. Nohiras, T. Kuroiwa, M. Nakamura, Y. Hirose, J. Mitsui, W. Sakai, K. Nakajima, M. Suzuki, K. Kimura, K. Sawano, K. Nakagawa, Y. Shiraki, and T. Hattori
雑誌名：Applied Surface Science 237 (2004) 134-137.
概要：原子酸素により歪みSi/Si0.7Ge0.3基板を酸化して形成したSiO2膜とSiGe基板の化学組成をX線光電子分光法（XPS）を用いて評価した論文。 Ge 3dとSi 2p光電子スペクトルの検出角度依存の解析から、SiO2膜中にSiとGeが未酸化状態で含まれていることと、GeO2は形成されないことを述べている。
（担当学生：穂積英彬）

平成１８年度
なし

平成１７年度
なし

平成１６年度
題目：Depth profiling of oxynitride film formed on Si(001) by photon energy dependent photoelectron spectroscopy
著者：K. Nishizaki, H. Nohira, K. Takahashi, N. Kamakura, Y. Tanaka, S. Shin, K. Kobayashi, N. Tamura, K. Hikazutani, and T. Hattori
雑誌名：Applied Surface Science 216 (2003) 287-290.
概要：窒素を6%含むSiO2膜/Si(001)基板における窒素原子の深さ分布を、高輝度放射光によるX線光電子分光（ビームラインBL27SU, SPring-8）を用いて非破壊で調べた論文。Si 2pとN 1s光電子スペクトルの励起光エネルギー依存の解析から、 窒素原子はSiO2/Si(001)界面に局在して分布していることが明らかにされた。
（担当学生：川村知史）

平成１５年度
題目：Growth of Epitaxial Anatase (001) and (101) fims
著者：G.S. Herman and Y. Gao
雑誌名：Thin Solid Films 397 (2001) 157.
概要：SrTiO3(001)基板にアナターゼ型TiO2薄膜を酸素プラズマを用いた分子線エピタキシー（Molecular Beam Epitaxy: MBE）により成長させ、結晶性を反射高速電子回折（RHEED）と低速電子回折（LEED）、化学組成をX線光電子分光で評価した論文。 SrTiO3(001)基板にはアナターゼ型TiO2(001)、天然のアナターゼTiO2(101)基板にはアナターゼ型TiO2(101)がエピタキシャル成長することが報告されている。
（担当学生：大平雅之）

平成１４年度
題目：Structural determination of titanium oxide nanoparticles by x-ray absorption spectroscopy
著者：Z.Y. Wu, J. Zhang, K. Ibrahim, D.C. Xian, G. Li, Y. Tao, T.D. Hu, S. Bellucci, A. Marcelli, Q.H. Zhang, L. Gao, and Z.Z. Chen
雑誌名：Applied Physics Letters 80 (2002) 2973-2975.
概要：バルクと微結晶のTiO2をX線吸収分光（XANES）を用いて、チタン原子の局所的化学結合状態と電子構造を調べた論文。 Ti K吸収端XANESスペクトルがアナターゼ型とルチル型で大きく異なるだけでなく、単結晶とナノ粒子でも異なることが見いだされ、 その解析から明らかにされた原配列構造の変化が報告されている。
（担当学生：東誠二郎）

平成１３年度
題目：Low energy electron stimulated etching of thin Si-oxide layer in nanometer scale using scanning tunneling microscope
著者：N. Li, T. Yoshinobu, and H. Iwasaki
雑誌名：Japanese Journal of Applied Physics 38 (1999), L252-L254.
概要：走査型トンネル顕微鏡（STM）を用いた低エネルギー電子誘起反応（Low-energy stimulated reaction: LEESR）に基づくナノ加工プロセスを報告した論文。 温度600-700℃に上げたSiO2(1 nm)/Si(001)表面にSTMチップからの低エネルギー電子ビームを局所的に照射することにより、 25 nmの大きさの窓をSiO2膜に開口できることが述べられている。
（担当学生：小川修一）

平成１２年度
題目：Plasma-induced alignment of carbon nanotubes
著者：C. Bower, W. Zhu, S. Jin, and O. Zhou
雑誌名：Applied Physics Letters 77 (2000) 830-832.
概要：マイクロ波プラズマ化学気相堆積（Microwave plasma enhanced chemical vapor deposition: MPECVD）を用いて成長させたカーボンナノチューブ（Carbon Nano Tube: CNT）の配向状態を、走査型電子顕微鏡（Scanning electron microscope: SEM）で観察した論文。
基板表面の形状や傾きに関わらず、CNTは基板表面に対して常に垂直方向に成長することが観察され、基板表面に加わる自己バイイスポテンシャルがその原因と指摘されている。
（担当学生：八木貴之）

平成１１年度
題目：Periodic changes in SiO2/Si(111) interface structures with progress of thermal oxidation
著者：K. Ohishi and T. Hattori
雑誌名：Japanese Journal of Applied Physics 33 (1994) L675-L678.
概要：乾燥酸素によるSi(111)表面でのSiO2膜成長過程を角度分解X線光電子分光で観察し、SiO2/Si(111)界面構造を調べた論文。 Si 2p光電子スペクトルの解析から中間の酸化状態Si1+とSi3+がSiO2膜厚が増加するにつれ逆位相で増減を繰り返すことを見いだし、 SiO2/Si(111)界面で酸化反応が原子層毎に進行する（Layer-by-layer oxidation）ことを明らかにした。
（担当学生：高野亨）

平成１０年度
なし

平成９年度
題目：The interaction of oxygen and hydrogen on a diamond C(111) surface: a synchrotron radiation photoemission, LED, AES study
著者：R. Klauser, J.M. Chen, T.J. Chuang, L.M. Chen, M.C. Shih, and J.C. Lin
雑誌名：Surface Science 356 (1996) L410-L416.
概要：ダイヤモンドC(111)表面での酸素と水素の反応を、放射光光電子分光（Synchrotron radiation photoelectron spectroscopy: SR-PES）、低速電子回折（LEED）、オージェ電子分光（Auger electron spectroscopy: AES）を用いて調べた論文。酸素吸着ダイヤモンド表面に水素原子を照射することにより、酸素原子（C-O-C結合）は容易に水素原子（C-H結合）と置換するが、 水素終端ダイヤモンド表面において酸素を吸着させることは難しいことが報告されている。
（担当学生：安田智樹）

平成８年度
題目：Zero-loss reflection high-energy electron diffraction patterns and rocking curves of the Si(111)7×7 surface obtained by energy filtering
著者：Y. Horio
雑誌名：Japanese Journal of Applied Physics 35 (1996) 3559-3564.
概要：反射高速電子回折（RHEED）装置の蛍光スクリーンの前に３枚グリッドの阻止電場型エネルギーフィルターを設置し、 非弾性散乱電子（主にバルクと表面プラズモン損失によるもの）を除去したRHEED回折パターン観察法の開発と、 それを用いたSi(111)7×7表面の研究について報告した論文。 この阻止電場型エネルギーフィルターを用いることにより、鏡面反射スポットのプローブ電子の入射角度依存（ロッキングカーブ）に 微細構造が明瞭に観察できることを述べている。
（担当学生：佐々木成也）

題目：Direct-current bias effect on the synthesis of (001) textured diamond films on silicon
著者：J.S. Lee, K.S. Liu and I.N. Lin
雑誌名：Applied Physics Letters 67 (1995) 1555-1557
概要：マイクロ波プラズマCVDによるダイヤモンド気相成長において、基板へ印加した負バイアス電圧による成長速度とダイヤモンド粒子形状／配向を 走査型電子顕微鏡とX線回折で調べた論文。約100 Vの負バイアス電圧をSi基板に加えることにより、成長速度が速くなるだけでなく、 (001)面が優先配向した膜が得られること、そして、基板表面から顕著な電子放出が見られるので、ダイヤモンドCVD成長過程への負バイアス効果は この電子放出と関連していることが示唆されている。
（担当学生：浅野光宏）

平成７年度
題目：Schottky barrier height and negative electron affinity of titanium on (111) diamond
著者：J. Van der Veen and R.J. Nemanich
雑誌名：Journal of Vacuum Science and Technology B 10 (1992) 1940-1943.
概要：ダイヤモンドC(111)表面へのチタン蒸着によるショットキー障壁形成を、紫外光電子分光（Ultraviolet photoelectron spectroscopy: UPS）で調べた論文。IIb型でp-type C(111)ダイヤモンド（1.6Ωcmの抵抗率）にTiを蒸着すると、その界面は1.0±0.2 eVのショットキー障壁高さをもつこと、そして、伝導帯下端が真空準位よりも低くななり、電子親和力が負（Negative electron affinity: NEA）となることが報告されている。
（担当学生：石田史顕）

題目：Temperature dependence of etching with molecular fluorine on Si(111) surface
著者：M. Hiroi and T. Tatsumi
雑誌名：Japanese Journal of Applied Physics 33 (1994) 2244-2247.
概要： フッ素分子F2によるSi(111)表面のエッチング反応過程を、反射高速電子回折（RHEED）で調べた論文。 鏡面反射スポットのRHEED強度振動からSiエッチング速度をリアルタイム観察で求め、その温度依存のアレニウスプロットから 脱離前駆体SiF2形成が律速反応であることが示唆されている。
（担当学生：須山智史）

平成６年度
題目：Interface modification by hydrocarbon gas molecular beams in heteroepitaxy of SiC on Si
著者：T. Yoshinobu, T. Fuyuki, and H. Matsunami
雑誌名：Japanese Journal of Applied Physics 30 (1991) L1086-L1088.
概要：Si基板への3C-SiC薄膜ヘテロ成長を目的として、アセチレン（C2H2）もしくはプロパン（C3H8）による ガスソース分子線エピタキシー（Gas source molecular beam epitaxy: GSMBE）を用いてSi(001)表面を炭化させ、 その表面構造と形態を反射高速電子回折と走査型電子顕微鏡を調べた論文。 C2H2を使用するとき、約780℃の狭い温度範囲のみでSi表面炭化により3C-SiC薄膜がエピタキシャル成長できることが報告されている。
（担当学生：田中洋彦）

平成５年度
なし




表面界面工学

（工学部機械・知能系：平成２２年度7セメスター、機械7番教室）



表面ナノ物理計測制御学

（大学院工学研究科ナノメカニクス専攻：平成２２年度第2学期、機械8番教室）

平成２２年度シラバス
授業の内容目的
ナノテクノロジーの基盤技術である、固体表面や薄膜の化学組成、原子配列、電子状態などを原子スケールで調べる物理的計測方法について、 測定原理、特徴、測定装置、そして、実用的応用例を数多く紹介し、表面ナノ物理計測制御学の近年における急速な展開について理解を図る。 また、表面ナノ物理計測制御に不可欠な超高真空技術と、超高真空中や反応性ガス雰囲気中での表面・界面現象ダイナミクスの「その場」観察などに 基づく表面ナノ制御の基礎とトピックスについて説明する。

Focusing on description of the principle, characteristic, apparatus and application of the methods for analyzing chemical composition, morphology, structure and electronic state of surfaces and interfaces, which are essential to nanotechnology, in order to acquire a systematic base for nano-physics, analysis and control of surfaces. Practical applications and topics of the surface analysis methods, for example, in-situ observation of the surface reaction dynamics under a reactive gas atmosphere, and the ultrahigh vacuum technology are introduced in detail.

他の授業科目との関連
なし
None

講義内容
第1回　はじめに：ナノテクノロジーと表面物理計測 (カーボンナノチューブの生成と応用を例として)
第2回　表面物理計測の概要と超高真空技術の必要性 (半導体プロセスを例として)
第3回　固体表面での吸着・脱離反応と超高真空技術
第4回　超高真空技術のための真空材料、真空排気、真空計測
第5回　表面ナノ物理計測制御と真空システム
第6回　固体の理想表面と実際の表面：再配列、ステップ、ファセット、吸着、欠陥
第7回　固体表面での回折効果に基づく表面構造解析
第8回　反射高速電子回折(RHEED)による表面プロセスの「その場」観察
第9回　低速電子回折(LEED)による表面構造の精密決定
第10回　光電子回折(XPD)による局所構造解析と薄膜材料評価、表面広域X線吸収微細構造(SEXAFS)によるアモルファス構造やランダム配列の解析
第11回　走査電子顕微鏡(SEM)と走査プローブ顕微鏡(SPM)による複合計測
第12回　X線光電子分光(XPS)による化学結合状態のリアルタイム観察、オージェ電子分光(AES) と電子プローブマイクロアナリシス(EPMA)による局所組成分析
第13回　イオン散乱分光(ISS)とラザフォード後方散乱(RBS)による非破壊組成分析
第14回　二次イオン質量分析(SIMS)による三次元組成分析
第15回　紫外光電子分光(UPS)による表面電子状態観察：半導体プロセスの表面反応とデバイスの電子状態への応用

Outline
1st lecture: Introduction to nanotechnology and physical analysis of surfaces (synthesis and application of carbon nano-tubes as an example)
2nd lecture: Outline of physical analysis of surfaces and necessity of ultrahigh vacuum technology (semiconductor processes on Si surfaces as an example)
3rd lecture: Adsorption/desorption on solid surfaces and ultrahigh vacuum technology
4th lecture: Materials of construction, pumps and gauges for ultrahigh vacuum technology
5th lecture: Ultrahigh vacuum systems for nano-analysis and control of surfaces
6th lecture: Ideal and real surfaces of solids: reconstruction, step, facet, adsorption and defect
7th lecture: Surface structure analysis based on the diffraction effect on solid surfaces
8th lecture: In-situ observation of processes on solid surfaces using reflection high energy electron diffraction (RHEED)
9th lecture: Precision determination of surface structure using low energy electron diffraction (LEED)
10th lecture: Determination of local-range order using photoelectron diffraction (PED) and its application to evaluation of thin films, and analysis of amorphous structure and random order using surface extended X-ray absorption fine structure (SEXAFS)
11th lecture: Combined surface analysis method based on scanning electron microscopy (SEM) and scanning probe microscopy (SPM)
12th lecture: Real-time monitoring of surface chemical bonding state using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and micro-analysis of surface chemical composition using Auger electron spectroscopy (AES) and electron probe micro-analysis (EPMA)
13th lecture: Non-destructive analysis of chemical composition using ion scattering spectroscopy (ISS) and Rutherford backscattering spectroscopy (RBS)
14th lecture: Three-dimensional analysis of chemical composition using secondary ion mass spectroscopy (SIMS)
15th lecture: Observation of surface electronic state using ultraviolet photoelectron spectroscopy (UPS) and its application to surface reactions of semiconductor processes and electronic states of semiconductor devices


講義内容資料 Lecture Data（クリックして下さい）（Please click)


教科書及び参考書
(1) 小間篤、八木克道、塚田捷、青野正和編著：『表面科学入門』(丸善、1999).




(2) 尾嶋正治、本間芳和編著：『ナノエレクトロニクスを支える材料解析』(電子情報通信学会、1996).




(3) 日本真空工業会編：初歩から学ぶ真空技術　【基礎から応用まで】 (工業調査会, 2000).




(4) 小宮宗治：わかりやすい真空技術 (オーム社出版局, 2002).

(1) M. Prutton: Introduction to Surface Physics (Oxford University Press, Oxford, 1994).

(2) D.P. Woodruff and T.A. Delchar: Modern Techniques of Surface Science (Cambridge University Press, Cambridge, 1994).

(3) John A. Venables : Introduction to Surface and Thin Film Processes (Cambridge, 2001).




(4) Elaine M. McCash : Surface Chemistry (Oxford, 2001).




(5) http://www.chem.qmw.ac.uk/surfaces/scc/sccindex.html: An Introduction to Surface Chemistry.

(6) http://www.cem.msu.edu/~cem924sg/: Introduction to Surface Analysis.
平成２２年度の授業スケジュール
第1回：2010年10月18日
第2回：2010年10月25日
第3回：2010年11月1日　（第1回レポート課題の説明、提出締切：2010/11/15）
第4回：2010年11月8日
第5回：2010年11月15日
第6回：2010年11月22日
第7回：2010年11月29日　（第1回小テスト）
第8回：2010年12月6日
第9回：2010年12月13日
第10回：2010年12月20日
第11回：2010年12月24日　（第2回レポート課題の説明、提出締切：2011/1/24）
第12回：2011年1月17日
第13回：2011年1月24日
第14回：2011年1月31日
第15回：2011年2月7日　（第2回小テスト）




表面ナノ物理計測制御学特論

（大学院工学研究科ナノメカニクス専攻：平成２２年度集中講義、多元物質科学研究所科学計測研究棟中会議室）

開催期間：平成２２年８月３日（火）から８月５日（木）まで

講義内容
第1回　表面ナノプロセスの課題とリアルタイム計測の必要性
第2回　リアルタイム計測の基礎と最先端：エネルギー・時間・空間分解能の極限化
第3回　反射高速電子回折法の複合化（１）：RHEEDの測定原理、装置、適用例
第4回　反射高速電子回折法の複合化（２）：化学組成の同時計測
第5回　反射高速電子回折法の複合化（３）：リアルタイムRHEED-AESの特徴と適用例
第6回　光電子分光の高速化（１）：光電子分光の基礎と特徴
第7回　光電子分光の高速化（２）：光源、エネルギー分析器、検出器
第8回　光電子分光の高速化（３）：リアルタイム光電子分光の特徴と適用例
第9回　光電子分光の高ガス圧力化（１）：プロセス中の「その場」観察の必要性
第10回　光電子分光の高ガス圧力化（２）：高圧XPSの特徴と適用例
第11回　CMOSゲートスタック用絶縁膜の形成機構解明（１）：必要性と課題
第12回　CMOSゲートスタック用絶縁膜の形成機構解明（２）：酸化誘起歪みとSiO2/Si界面反応
第13回　ナノ炭素材料の合成プロセス開発（１）：ダイヤモンド
第14回　ナノ炭素材料の合成プロセス開発（２）：グラフェン
第15回　ナノ炭素材料の合成プロセス開発（３）：カーボンナノチューブ

Outline
1st lecture: Introduction to surface nanoprocesses and real-time surface analysis methods
2nd lecture: Basic concepts and topics of real-time surface analysis
3rd lecture: Advanced reflection high energy electron diffraction (1): Principle, experimental apparatus and applications of RHEED
4th lecture: Advanced reflection high energy electron diffraction (2): Simultaneous measurement of chemical composition and surface structure
5th lecture: Advanced reflection high energy electron diffraction (3): Characteristics and applications of real-time RHEED combined with AES
6th lecture: Advanced photoelectron spectroscopy with high sampling rate (1): Principle and characteristics of photoelectron spectroscopy
7th lecture: Advanced photoelectron spectroscopy with high sampling rate (2): Light sources, Electron energy analyzers, and detectors
8th lecture: Advanced photoelectron spectroscopy with high sampling rate (3): Applications of real-time photoelectron spectroscopy
9th lecture: Advanced photoelectron spectroscopy under high gas pressure (1): In-situ observation of surface reactions during semiconductor processes
10th lecture: Advanced photoelectron spectroscopy under high gas pressure (2): Applications of high-pressure XPS
11th lecture: Analysis of the formation mechanism of gate insulator in CMOS devices (1): Oxidation reaction models on Si surfaces
12th lecture: Analysis of the formation mechanism of gate insulator in CMOS devices (2): Oxidation-induced strain mediated reactions at SiO2/Si interface
13th lecture: Development of synthesis processes of nanocarbon materials (1): Diamond
14th lecture: Development of synthesis processes of nanocarbon materials (2): Graphene
15th lecture: Development of synthesis processes of nanocarbon materials (3): Carbon Nanotube


講義内容資料 Lecture Data （クリックして下さい）（Please click)



多元物質科学の世界

　（１セメ、火５、4/10～7/24、16：30-18：00、川内キャンパスA401）

シラバス


  1. 目標
    　多元物質科学というのは、化学や物理学や生物学、あるいは理学や工学や環境学などの既存の学問分野を越えて、複雑な物質について複合的な見方で研究する新しい総合的な学問分野です。 この授業では、物質科学の最新の研究の成果を知り、高校で学んだ物理・化学・生物・地学などの知識を総合的に活かすことを学びます。
  2. 内容・計画
    　この講義は、今年から新たに始まり、東北大学多元物質科学研究所の教授が中心に、物質科学の最先端の話題をオムニバス形式で紹介します。情報・環境・エネルギー材料を中心に身の回りから宇宙まで多彩な内容が紹介されます。
  3. スケジュール
    　7月 3日（高桑雄二）　ダイヤモンド合成の科学
    　7月10日（高桑雄二）　ナノ炭素材料合成の科学
  4. 成績評価
    　出席　(50%) +レポート(50%)
    　レポート課題:　講義を聴いて学んだ事・興味を持ったことを要約し、感想も含めてA4用紙3枚程度にまとめて提出する
  5. 連絡先
    　河村純一教授　多元物質科学研究所　kawajun@tagen.tohoku.ac.jp 　


セミナー


これまでに使用したテキストの一覧（今後予定しているものも含む）


主に３年生を対象としたもの



竹内淳：『高校数学で分かる半導体の原理 –電子の動きを知って理解しよう-』（講談社、2007年）

目標：シリコン中にドーピングされた不純物の挙動などの半導体物理と、pn接合とショットキー障壁を用いたデバイスの基礎を理解すること。





三刀基郷：『トコトンやさしい接着の本』（日刊工業新聞社、2005年）

目標：各種の産業分野での接着技術の重要性・必要性と、接合反応機構の基礎を理解すること。





宇津木勝：『半導体のための真空技術入門 –現場で役立つ基礎と応用-』（工業調査会、2007年）

目標：超高真空達成のために必要とされる真空材料、真空ポンプ、真空ゲージ、真空システム化の基本原理と具体例を理解し、表面分析及び薄膜成長装置の操作で必要とされる真空技術を修得すること。





小林春洋：『放電技術 –基礎のきそ-』（日刊工業新聞社、2007年）

目標： 各種のプラズマプロセス（Plasma-enhanced processes）の基本的な動作原理と、実際の薄膜成長やエッチング等での特徴を理解すること。






主に４年生を対象としたもの



菅井秀郎：『プラズマエレクトロニクス』（Ohmsha, 2001）

目標：気相中での電子と原子／分子の衝突などの素過程の定量的理解に基づいて、プラズマCVDプロセスの反応機構の解明と制御を考察すること。





小川修一：『博士学位論文：熱酸化プロセスによる極薄シリコン酸化膜形成機構の研究』（東北大学、2008）

目標：熱酸化による極薄SiO2膜形成における微視的酸化反応モデルの重要性を理解し、 とりわけ酸化誘起歪みにより引き起こされる点欠陥発生（放出Si原子、空孔）がもたらすSiO2/Si界面での酸化反応、SiO2膜の分解反応、 そして、電気特性を支配する構造欠陥の挙動について、統合的に理解すること。



小杉亮治：『博士学位論文：3C-SiC/Siの初期へテロ成長機構の研究』（東北大学、1999）
目標：炭化水素ガス（C2H4など）によるSi表面の炭化反応における3C-SiCヘテロ成長における、3C-SiC核発生の反応機構についての理解を得ること。



下敷領文一『博士学位論文：RHEED-AES法による半導体へテロ界面のその場観察に関する研究』（東北大学、1995）

目標： オージェ電子分光（Auger electron spectroscopy: AES）と複合化した反射高速電子回折（Reflection high energy electron diffraction: RHEED）の必要性、基本原理、特徴、そして応用例を理解すること。 また、RHEED-AES用に開発された電子エネルギー分光システムの設計・製作・調整を修得すること。




主に大学院生を対象としたもの




セミナー中の穂積英彬君 (2009/6/22)



S.M. ジィー：『半導体デバイス –基礎理論とプロセス技術-』（産業図書, 2005）

目標：半導体物理、半導体デバイス、そして半導体プロセスについて系統的に学び、現代の高度情報化社会を支えている半導体産業への理解を深めること。





SEMI FORUM JAPANプログラム委員会：『半導体プロセス教本』（SEMIジャパン、2007年）

目標：とりわけ、多層配線プロセスについての理解を深めること。





G. Attard and C. Barnes, “Surfaces” (Oxford Science Publications, Oxford, 2006)

目標：固体表面分析の必要性と、各種分析方法の原理、特徴、装置、応用例を学び、表面科学についての理解を深めること。 また、専門用語の英語での表現を修得すること。





志村幸雄：『世界を制した「日本的技術発想」 -日本人が知らない日本の強み- 』（講談社、2008年）

目標：技術開発における基本的な考え方を理解し、とりわけ、「日本的技術発想」の重要性を深く理解すること。





志村幸雄：『誰が本当の発明者か –発明をめぐる栄光と挫折の物語-』（講談社、2006年）

目標：今後重要性を増す特許戦略について理解するために、「発明／発見」とは何かについて、具体例から歴史的教訓を学ぶ。




2012年前期の開催予定セミナー


研究室論講（高桑・虻川研合同）

5月7日 高桑雄二 グラフェンのCVD成長
5月14日 虻川匡司 高次高調波によるX線発生
5月21日 小川修一 自動車排ガス用触媒について
5月28日 尾白佳大 Raman Spectroscopy in Graphene Related Systems
川西浩太 Interfacial phase-change memory
6月 4日 楊猛 シリコン基板上エピタキシャルグラフェンの形成
唐佳芸 Mechanisms of Hyperthermal Oxidation of Si(100)2×1 Surface Studied by Molecular Dynamics Simulations
6月11日 阿加賽見 Low Temperature Cu-Cu Direct Bonding using Formic Acid Vapor Pretreatment
渡辺大輝 Tuning the Fermi Level of SiO2-Supported Single-Layer Graphene by Thermal Annealing
6月25日 神崎慎二 Insight into the Growth and Control of Single-Crystal Layers of Ge-Sb-Te Phase-Change Material
西本究 Photoemission study of the effect of bulk doping and oxygen exposure on silicon surface states
7月 2日 栗山岬 Photoemissions Study of Azobenzene and Aniline Adsorbed on TiO2 Anatase(101) and rutile(110) Surfaces
林広幸 Highly ordered graphene for two dimensional electronics
7月 9日 川田麻由梨 Direct Low-Temperature Integration of Nanocrystalline Diamond with GaN Substrates for Improved Thermal Management of High-Power Electronics
高出力電子機器の熱制御改善のためのGaN基板上へのNCDの低温形成
向島健太 Reflection high-energy electron diffraction φscans for in situ monitoring the heteroepitaxial growth of Fe on GaN(0001) by molecular beam epitaxy
7月23日 小谷川裕貴
加藤丈晴
渡邊彩香



4年生ゼミ（高桑・虻川研合同）
日時 月曜日　15：00-16：30
チューター 小川修一
参加者 神崎慎二、栗山岬、向島健太、林広幸、川田麻由梨
テキスト Elaine M. McCash: Surface Chemistry (Oxford University Press, 2001)


材料科学のゼミ
日時 木曜日　9：30-11：00
チューター 高桑雄二
参加者 阿加賽見、楊猛、尾白佳大、西本究、渡辺大輝
テキスト 伊藤 國雄、原田 寛治：これからスタート！　電気電子材料　（電気書院, 2010）


半導体プロセスのゼミ
日時 水曜日　9：30-11：00
チューター 高桑雄二
参加者 阿加賽見、楊猛、尾白佳大、西本究、渡辺大輝
テキスト 出水 清史 監修：半導体プロセス教本　（SEMI, 2007）


プラズマ科学のゼミ
日時 木曜日　13：00-15：00
チューター 尾白佳大
参加者 林広幸、川田麻由梨
テキスト 飯島 徹穂、近藤 信一、青山 隆司：はじめてのプラズマ技術　（工業調査会, 1997）


超高真空技術のゼミ
日時 水曜日　13：30-15：00
チューター 渡辺大輝
参加者 林広幸、川田麻由梨
テキスト 飯島 徹穂：図解入門 よくわかる最新真空の基本と仕組み —基礎から学ぶ真空技術の知識とノウハウ—　（秀和システム, 2009）



日時 月曜日　15：00-16：30
チューター 渡辺大輝
参加者 阿加賽見、唐佳芸
テキスト 宇津木 勝： 半導体のための真空技術入門　—現場で役立つ基礎と応用—　（工業調査会, 2007）


電子産業発達史のゼミ
日時 金曜日　13：30-15：00
チューター 西本究
参加者 小谷川裕貴、渡邉彩香
テキスト 相田 洋：電子立国日本の自叙伝　（NHK出版, 1995）


半導体物理のゼミ
日時 金曜日　16：00-17：30
チューター 唐佳芸
参加者 小谷川裕貴、渡邉彩香
テキスト 竹内 淳：高校数学で分かる半導体の原理　—電子の動きを知って理解しよう−　（講談社, 2007）


DLC膜合成のゼミ
日時 金曜日　16：00-17：30
チューター 楊猛
参加者 林広幸
テキスト 池永 勝 監修：高機能化のためのDLC成膜技術　（日刊工業新聞社, 2007）