ナノピラー
柱状ナノ構造

ナノピラーは、ナノ構造の分野における新興技術です。ナノピラーは直径約10ナノメートルの柱状のナノ構造で、格子状に配列することができます。[1]メタマテリアルの一種であり、ナノピラーは人工的に設計された構造にグループ化されることでその特性を獲得し、自然の特性からは得られません。ナノピラーは、その独特な形状により、他のナノ構造とは一線を画しています。各ナノピラーは、底部が柱状で、上部が先細りの尖端になっています。この形状とナノピラーのグループ化能力が組み合わさることで、多くの有用な特性が発揮されます。ナノピラーには、効率的な太陽電池パネル、高解像度分析、抗菌表面など、多くの用途があります。

アプリケーション

太陽光パネル

ナノピラーは先端が先細りになっているため、光を非常に効率的に捕らえます。ナノピラーでコーティングされたソーラーコレクターの表面は、ナノワイヤ太陽電池の3倍の効率があります。[2]ナノピラーで太陽電池を作るのに必要な材料は、通常の半導体材料に比べて少なくて済みます。また、ソーラーパネルの製造工程でも優れた耐久性を発揮します。この耐久性により、メーカーはより安価な材料とより安価な方法でソーラーパネルを製造できます。研究者たちは、ナノピラーの底部にドーパントを入れることを検討しています。 [3]これにより、光子がピラーの周りを跳ね回る時間が長くなり、捕らえられる光の量が増えます。ナノピラーは、より効率的に光を捕らえるだけでなく、ソーラーパネルに柔軟性を持たせることもできます。この柔軟性により、メーカーはソーラーパネルの形状の選択肢が広がり、パネルを繊細に扱う必要があるコストも削減されます。[4]ナノピラーは標準的な材料よりも効率的で安価ですが、科学者はまだ大量生産できていません。これは、製造プロセスの一部としてナノピラーを使用する場合の重大な欠点です。

抗菌表面

ナノピラーは電子機器以外にも機能を持ち、自然界の防御機構を模倣することができます。セミの羽は、微細なナノピラー状の棒で覆われています。細菌がセミの羽に止まると、細胞膜がナノピラーとその隙間に付着し、破裂します。セミの棒は人工ナノピラーとほぼ同じ大きさと形状であるため、人間がこの防御機構を模倣することは可能です。ナノピラーで覆われた表面は、柔らかい膜を持つ細菌を即座に死滅させます。より硬い細菌は破裂しにくいでしょう。もしナノピラーが大量生産され、あらゆる場所に設置されれば、感染した表面に触れることで病気が伝染するリスクを大幅に低減できる可能性があります。[5]

抗菌メカニズム

ナノピラーの抗菌メカニズムを説明するモデルがいくつか提案されている。伸張・機械誘起モデル[6]によれば、セミの羽に見られるナノピラーのような比較的均一なナノトポグラフィーの場合、細菌は穿孔メカニズムとは対照的に、隣接する2つのナノピラーの間に挟まれた細菌細胞壁の破裂によって死滅する。ナノピラーの高さ、密度、鋭さといったナノピラーの特徴は、ナノピラーの全体的な抗菌特性に影響を与えることがわかった。しかし、文献には矛盾する結果がいくつかあるため、ナノピラーの特徴間の相対的な相関関係を確立することは困難である。[7]ナノピラーのその他の抗菌メカニズムとしては、せん断力の潜在的な影響、[8]細菌の負の生理学的反応、[9]細菌表面タンパク質とナノピラーの相互作用による固有圧力の影響などが考えられる。[10]

高解像度の分子分析

ナノピラーのもう一つの用途は細胞の観察です。ナノピラーは光を非常によく捉えるため、光が当たるとナノピラーが発する光は約150ナノメートルで減衰します。この距離は光の波長よりも短いため、研究者は背景光の干渉を受けずに小さな物体を観察することができます。[11]これは特に細胞分析に有用です。細胞はナノピラーの小ささゆえに周囲に集まり、それを細胞小器官として認識します。[12]ナノピラーは細胞を観察している間、細胞を所定の位置に保持するだけです。

ダイヤモンドベースの量子センシング

ナノピラーは、量子技術において蛍光欠陥からの光子取り出し効率を高めるために使用されます。ナノピラーは、ダイヤモンドに含まれる色中心の場合に特に効果的です。[13]ダイヤモンドは屈折率が 高いため、例えば窒素空孔（NV）中心の蛍光に由来する光子のほとんどは全反射によって失われます。ナノピラーは、色中心からの放出の取り出し効率と方向性を高めることができます。これにより、ナノスケール核磁気共鳴と量子磁気測定（例えば、走査プローブ顕微鏡の形態）の両方において、NV量子センシングの応用において感度を大幅に向上させることができます。Zhuらは、収集効率を最大化するためにナノピラーに適切なテーパーをつけることが重要であることを示しました。[13]

歴史

2006年、ネブラスカ大学リンカーン校とローレンス・リバモア国立研究所の研究者らは、より安価で効率的なナノピラー製造法を開発した。彼らは、ナノスフィアリソグラフィー（格子を組織化する方法）と反応性イオンエッチング（ナノピラーを適切な形状に成形する方法）を組み合わせて、直径500nm未満のシリコンピラーの大きなグループを製造した。[14]その後、2010年に、研究者らは先細りの端部を持つナノピラーを製造する方法を開発した。[15]従来の平らで鈍い上部を持つピラーの設計では、ピラーに当たる光の多くを反射していた。先細りの上部によって光がナノピラーの森の中に入ることができ、広い底部はそれに当たる光のほぼすべてを吸収する。この設計では光の約99%を捉えるのに対し、均一な厚さのナノロッドでは光の85%しか捉えられなかった。先細りの端部が導入された後、研究者はナノピラーのさらに多くの用途を発見し始めました。

参照

製造工程

ナノピラーの製造はシンプルですが、数時間かかることもあります。[16]ナノピラーの製造プロセスは、厚さ2.5mmのアルミ箔型を陽極酸化処理することから始まります。箔を陽極酸化処理することで、箔に深さ1マイクロメートル、幅60ナノメートルの細孔が形成されます。次のステップでは、リン酸で箔を処理し、細孔を130ナノメートルまで拡大します。箔を再度陽極酸化処理することで、細孔は1マイクロメートル深くなります。最後に、半導体材料の成長反応を触媒するために、少量の金を細孔に添加します。アルミニウムを削り取ると、酸化アルミニウムの殻の中にナノピラーの森が残ります。[17]さらに、ピラー構造やチューブ構造は、深紫外線（DUV）リソグラフィーと原子層堆積（ALD）を組み合わせたトップダウンアプローチによっても作製できます。[18] [19]

参考文献

  1. ^ Fan Z, Kapadia R, Leu PW, Zhang X, Chueh YL, Takei K, Yu K, Jamshidi A, Rathore AA, Ruebusch DJ, Wu M, Javey A (2010年10月). 「光吸収を最大化する二重直径ナノピラーの整列アレイ」(PDF) . Nano Letters . 10 (10): 3823–7 . doi :10.1021/nl1010788. PMID  20491498.
  2. ^ 「ナノピラーの基礎」NanoAll .
  3. ^ Heng L.「ナノピラーが薄膜太陽電池の電力変換効率を大幅に向上」phys.org.; Wong SM, Yu HY, Li JS, Zhang G, Lo PG, Kwong DL (2010年2月). 「高効率Siナノピラーアレイテクスチャ薄膜太陽電池の設計」. IEEE Electron Device Letters . 31 (4): 335– 337. doi :10.1109/LED.2010.2040062. S2CID  32851076.
  4. ^ Preuss P (2009年7月9日). 「ナノピラーが実現する安価で高効率、フレキシブルな太陽電池」ローレンス・バークレー国立研究所.
  5. ^ Quirk T (2013). 「昆虫の羽が細菌を粉々に砕く」. Nature . Nature Publishing Group. doi : 10.1038/nature.2013.12533 . S2CID  87292424.
  6. ^ Pogodin S, Hasan J, Baulin VA, Webb HK, Truong VK, Phong Nguyen TH, et al. (2013年2月). 「ナノパターン化された蝉の羽表面と細菌細胞との相互作用に関する生物物理学的モデル」. Biophysical Journal . 104 (4): 835– 840. Bibcode :2013BpJ...104..835P. doi : 10.1016/j.bpj.2012.12.046. PMC 3576530. PMID  23442962. 
  7. ^ Ishak MI, Liu X, Jenkins J, Nobbs AH, Su B (2020年10月). 「抗菌性および骨形成性チタンインプラントのための突出ナノ構造表面」.コーティング. 10 (8): 756. doi : 10.3390/coatings10080756 . hdl : 1983/37cef22d-b7c3-4d16-9bb9-0bfdbdbb5c69 . ISSN  2079-6412.
  8. ^ Bandara CD、Singh S、Afara IO、Wolff A、Tesfamichael T、Ostrikov K、Oloyede A (2017 年 3 月)。 「トンボの羽の天然ナノトポグラフィーの大腸菌に対する殺菌効果」。ACS アプライド マテリアルズ & インターフェース。9 (8): 6746–6760。土井:10.1021/acsami.6b13666。hdl : 10072/401989。PMID  28139904。
  9. ^ Jenkins J, Mantell J, Neal C, Gholinia A, Verkade P, Nobbs AH, Su B (2020年4月). 「ナノピラー表面の抗菌効果は、細胞インピーダンス、浸透、および酸化ストレスの誘導によって媒介される」. Nature Communications . 11 (1): 1626. Bibcode :2020NatCo..11.1626J. doi :10.1038/s41467-020-15471-x. PMC 7118135. PMID  32242015 . 
  10. ^ Ishak MI, Jenkins J, Kulkarni S, Keller TF, Briscoe WH, Nobbs AH, Su B (2021年12月). 「複雑なナノピラー-バクテリア相互作用の洞察：ナノトポグラフィーとバクテリア表面タンパク質の役割」. Journal of Colloid and Interface Science . 604 : 91– 103. Bibcode :2021JCIS..604...91I. doi :10.1016/j.jcis.2021.06.173. PMID  34265695.
  11. ^ 「ナノピラーが高解像度の分子写真を可能にする」Kurzweil. 2011年4月11日. 2013年10月29日閲覧。
  12. ^ de Souza N (2011年4月). 「光のナノピラー」. Nature Methods 8 (4). Nature America: 284–285 . doi : 10.1038/nmeth0411-284a . PMID  21574270.
  13. ^ ab Zhu, Tianqi; Rhensius, Jan; Herb, Konstantin; Damle, Viraj; Puebla-Hellmann, Gabriel; Degen, Christian L.; Janitz, Erika (2023年11月22日). 「ナノスケール量子センシングのためのマルチコーンダイヤモンド導波路」. Nano Letters . 23 (22): 10110– 10117. arXiv : 2306.02966 . doi :10.1021/acs.nanolett.3c02120. ISSN  1530-6984.
  14. ^ Michael B (2006年2月14日). 「ナノピラーを製造するための新しい低コストプロセス」. Nanowerk.
  15. ^ Coxworth B (2010年11月23日). 「ナノピラー半導体、より高性能で安価な太陽電池を実現」Gizmag.
  16. ^ Kwon JT, Shin HG, Seo YH, Kim BH, Lee HG, Lee JS (2009). 「アルミニウム陽極酸化プロセスを用いた階層的ナノピラーの簡便な作製方法」. Current Applied Physics . 9 (2): e81– e85. Bibcode :2009CAP.....9E..81K. doi :10.1016/j.cap.2008.12.034.
  17. ^ Patel P.「より多くの光を捕らえるナノピラー」MITテクノロジーレビュー。
  18. ^ Shkondin E、Takayama O、Panah MA、Liu P、Larsen PV、Mar MD、Jensen F、Lavrinenko AV (2017)。 「異方性メタマテリアルとしての大規模高アスペクト比 Al ドープ ZnO ナノピラー アレイ」(PDF)。オプティカルマテリアルエクスプレス。7 (5): 1606 – 1627。ビブコード:2017OMExp...7.1606S。土井: 10.1364/OME.7.001606。
  19. ^ Shkondin E, Alimadadi H, Takayama O, Jensen F, Lavrinenko AV (2020). 「カーケンドール効果に基づく中空同軸Al2O3/ZnAl2O4高アスペクト比自立ナノチューブの製造」(PDF) . Journal of Vacuum Science & Technology A. 38 ( 1): 1606– 1627. Bibcode :2020JVSTA..38a3402S. doi :10.1116/1.5130176. S2CID  209898658.
「https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=ナノピラー&oldid=1277894846」より取得