(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁基板、若しくは、絶縁体で表面が被覆された基板と、
前記基板に積層されたシリコンナノ結晶薄膜と、
前記シリコンナノ結晶薄膜の電気伝導特性を測定する手段を備える装置において、
前記シリコンナノ結晶薄膜を構成するシリコンナノ結晶粒子は、粒子表面にホウ素（Ｂ）とリン（Ｐ）がドーピングされたことを特徴とする気体分子成分検出装置。
【請求項２】
前記ホウ素（Ｂ）とリン（Ｐ）は、シリコンの固溶限界濃度より高濃度にドーピングされたシリコンナノ結晶コロイド塗布膜であることを特徴とする請求項１に記載の気体分子成分検出装置。
【請求項３】
前記シリコンナノ結晶粒子は、平均粒径３〜７ｎｍであることを特徴とする請求項１又は２に記載の気体分子成分検出装置。
【請求項４】
請求項１〜３の何れかの気体分子成分検出装置が、水分子の吸着と脱離の判別用として用いられる微小水分センサ。
【請求項５】
請求項１〜３の何れかの気体分子成分検出装置を用いて、前記シリコンナノ結晶薄膜の電気伝導度の変化を測定し、気体分子の吸着と脱離を判別することを特徴とする気体分子成分検出方法。
【請求項６】
前記電気伝導度の変化は、
気体分子が吸着した場合には、前記シリコンナノ結晶薄膜を流れる電流量が少なくとも１桁上昇し、
気体分子が脱離した場合には、電流量が少なくとも１桁下降する、ことを特徴とする請求項５に記載の気体分子成分検出方法。
【請求項７】
前記気体分子は、メタノール、エタノール、アセトン、トルエンの何れかの蒸気、若しくは、水蒸気であることを特徴とする請求項５又は６に記載の気体分子成分検出方法。
【請求項８】
前記気体分子が水分子であり、
前記電気伝導度の変化は、
水分子が吸着した場合には、前記シリコンナノ結晶薄膜を流れる電流量が少なくとも４桁上昇し、
水分子が脱離した場合には、電流量が少なくとも４桁下降する、ことを特徴とする請求項５に記載の気体分子成分検出方法。
【請求項９】
前記気体分子が水分子であり、
前記電気伝導度の変化は、
水蒸気圧に対して正の相関があることを特徴とする請求項５に記載の気体分子成分検出方法。
【請求項１０】
絶縁基板上、若しくは、絶縁体で表面が被覆された基板上に、シリコンナノ結晶コロイドを塗布して薄膜を作製するステップと、
前記薄膜の電気伝導特性を測定するための電気回路を前記基板上に配設するステップ、
を備えた検出装置の作製方法において、
前記シリコンナノ結晶コロイドは、シリコンナノ結晶粒子の表面にホウ素（Ｂ）とリン（Ｐ）をシリコンの固溶限界濃度よりより高濃度にドーピングして調整されたことを特徴とする気体分子成分検出装置の作製方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微小な水分量などを測定するセンシング技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の微小水分量の測定法は、キャビティーリングダウン法と呼ばれる高反射率ミラー２枚から構成されるキャビティーを用いた光学測定で、ｐｐｂ（parts per billion）レベルの水分量の測定が行われている。しかし、この測定法では、レーザーやキャビティーといった光学系を測定環境内にセットアップする必要があり、簡便な測定法とは言い難い。
【０００３】
微小な水分量を簡便に測定するセンシングデバイスとして、ポーラス（多孔質）シリコンナノ薄膜を用いた湿度センサが知られている。
例えば、特許文献１や非特許文献１では、ＣＶＤを用いて基板上に堆積させたポーラスシリコンナノ薄膜を用いた湿度センサが開示されており、当該湿度センサでは湿度の変化に対してオンオフ比で６桁までの電流値の変化があったと報告されている。
また、非特許文献２では、ガラス基板上にインクジェット印刷された銀電極の上にポーラスシリコン粒子を形成させた湿度センサが開示されており、当該湿度センサでは良好な感度と再現性ある結果が得られたと報告されている。
【０００４】
また、特許文献２では、ポーラスシリコン層の表面を酸化した感湿素子が開示されている。
その他、シリコン系材料の湿度センサとしてポーラスシリコン以外にシリコンナノワイヤを利用したものや、シリコン系材料以外の微結晶材料の湿度センサとしてＳｎＯ２、ＺｒＯ２、ＴｉＯ２、ＺｎＯ等の金属酸化物を利用したものが知られている。このように、湿度センサの材料として、従来からシリコンナノ結晶の材料は広く知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許ＵＳ６３９９１７７号
【特許文献２】特開昭６４−０２６１３９号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】A. Kaan Kalkan, Journal of Applied Physics 88, 555 (2000)
【非特許文献２】T. Jalkanen, Applied Physics Letters 101, 263110 (2012)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述の如く、微小な水分量を簡便に測定するセンシングデバイスとして、ポーラス（多孔質）シリコンナノ薄膜を用いた湿度センサが知られているが、ポーラス（多孔質）ではなく、シリコンナノ結晶粒子が平坦かつ高密度に配置された薄膜を用いたセンシングデバイスは報告されていない。
【０００８】
一方で、大面積電子デバイスの新しい形成方法として、半導体ナノ結晶コロイドの塗布により半導体ナノ結晶薄膜を形成するプロセスが注目されている。この半導体ナノ結晶コロイドの塗布により平坦かつ高密度な薄膜を形成するためには、溶液中でのナノ結晶の沈殿ならびに凝集をほぼ完全に抑制し、個々に分散させることが重要である。そのため、シリコンナノ結晶の凝集を抑制して個々の分散性を高めるべく、シリコンナノ結晶の粒子表面に分子修飾を行う必要があった。
【０００９】
しかしながら、シリコンナノ結晶の粒子表面に分子修飾を行うと、表面修飾された分子の特性によってシリコンナノ結晶薄膜の特性が左右されることになる。そこで、本発明者らは、シリコンナノ結晶の粒子表面に分子修飾しないで、かつ、ポーラス（多孔質）ではなく、シリコンナノ結晶粒子が平坦かつ高密度に配置された薄膜を用いたセンシングデバイスを開発し、その電気伝導特性を調べて本発明に至った。
【００１０】
すなわち、本発明は、絶縁基板上に形成したシリコンナノ結晶薄膜を利用し、より簡便に微小水分量などを測定できる気体分子成分検出装置および検出方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者らは、シリコンナノ結晶の粒子表面に分子修飾しないシリコンナノ結晶薄膜を用いたセンシングデバイスの電気伝導特性を鋭意検討した結果、薄膜中のシリコンナノ結晶粒子間に形成されるトンネル障壁を利用し、微小な水分量の変化で薄膜の電気伝導度が大きく変化することの知見を得た。
【００１２】
すなわち、本発明の気体分子成分検出装置は、絶縁基板、若しくは、絶縁体で表面が被覆された基板と、基板に積層されたシリコンナノ結晶薄膜と、シリコンナノ結晶薄膜の電気伝導特性を測定する手段を備え、シリコンナノ結晶薄膜を構成するシリコンナノ結晶粒子は、粒子表面にホウ素（Ｂ）とリン（Ｐ）がドーピングされた構成を有する。
上記構成によれば、微小な水分量の変化で薄膜の電気伝導度が大きく変化し、微小水分センサとして利用できる。また、水分量以外に、メタノール、エタノール、アセトン、トルエンの成分量の微小な変化も、薄膜の電気伝導度の変化で検出可能である。
【００１３】
シリコンナノ結晶薄膜は、シリコンナノ結晶表面に、ホウ素とリンがドーピングされることにより、表面修飾分子を用いずに極性溶媒中にシリコンナノ結晶粒子を個々に分散させ、シリコンナノ結晶コロイドを調製し、このコロイドの塗布によるシリコンナノ結晶薄膜を絶縁基板上に形成できる。
【００１４】
本発明の気体分子成分検出装置において、シリコンナノ結晶粒子は、平均粒径３〜７ｎｍであることが好ましい。平均粒径３〜７ｎｍの範囲では、後述するデータから、水分量の変化に対してオンオフ比で４桁以上の電流値の変化がある。
【００１５】
本発明の気体分子成分検出装置におけるシリコンナノ結晶薄膜は、シリコンナノ結晶粒子の表面にホウ素とリンをシリコンの固溶限界濃度より高濃度にドーピングされたシリコンナノ結晶コロイド塗布膜であることを特徴とする。
【００１６】
次に、本発明の気体分子成分検出方法は、上述の気体分子成分検出装置を用いて、シリコンナノ結晶薄膜の電気伝導度の変化を測定し、気体分子の吸着と脱離を判別することにより行う。
ここで、電気伝導度の変化は、気体分子が吸着した場合には、シリコンナノ結晶薄膜を流れる電流量が少なくとも１桁上昇する。一方、気体分子が脱離した場合には、電流量が少なくとも１桁下降する。
気体分子は、メタノール、エタノール、アセトン、トルエンの何れかの蒸気、若しくは、水蒸気である。
特に、気体分子が水分子であれば、電気伝導度の変化は、水分子が吸着した場合には、シリコンナノ結晶薄膜を流れる電流量が少なくとも４桁上昇し、水分子が脱離した場合には、電流量が少なくとも４桁下降する。
【００１７】
本発明の気体分子成分検出方法は、気体分子が水分子であれば、電気伝導度の変化は、水蒸気圧に対して正の相関がある。従って、水分子が吸着、脱離といったオンオフだけではなく、電気伝導度の変化によって、水分量を測定できるのである。
【００１８】
次に、本発明の気体分子成分検出装置の作製方法について説明する。本発明の気体分子成分検出装置の作製方法は、絶縁基板上、若しくは、絶縁体で表面が被覆された基板上に、シリコンナノ結晶コロイドを塗布して薄膜を作製するステップと、薄膜の電気伝導特性を測定するための電気回路を基板上に配設するステップを備えた検出装置の作製方法において、シリコンナノ結晶コロイドは、シリコンナノ結晶粒子の表面にホウ素（Ｂ）とリン（Ｐ）をシリコンの固溶限界濃度よりより高濃度にドーピングして調整されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、真空チャンバーやガス中に含まれる微小な水分量などの測定を簡便に行うことができるといった効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】気体分子成分検出装置の構造説明図
【図２】気体分子成分検出装置の作製フロー図
【図３】気体分子成分検出装置の作製方法の説明図
【図４】Ｓｉナノ結晶薄膜の電気伝導度の温度依存性を示すグラフ
【図５】水分子の吸着／脱離による電気伝導度の変化を示すグラフ
【図６】水蒸気、窒素、酸素に対する電気伝導度の応答性を示すグラフ
【図７】水分子の吸着／脱離による電気伝導度の変化を示すグラフ（Ｂ，Ｐの同時ドープとアンドープのＳｉナノ結晶薄膜の対比）
【図８】有機溶媒蒸気による電気伝導度の依存性を示すグラフ
【図９】電気伝導度の水蒸気圧依存性を示すグラフ
【図１０】電気伝導度のＳｉナノ結晶粒子サイズ依存性を示すグラフ
【図１１】Ｓｉナノ結晶粒子サイズ毎の電気伝導度の温度依存性を示すグラフ
【図１２】Ｓｉナノ結晶の赤外吸収スペクトル
【図１３】Ｓｉナノ結晶の赤外吸収スペクトルにおけるＯ−Ｈ（Ｖｂ）領域の拡大図
【図１４】Ｓｉナノ結晶薄膜の電気伝導過程の模式説明図
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の実施形態の一例を、図面を参照しながら詳細に説明していく。なお、本発明の範囲は、以下の実施例や図示例に限定されるものではなく、幾多の変更及び変形が可能である。
【実施例１】
【００２２】
（気体分子成分検出装置の構造）
図１は、気体分子成分検出装置の構造の一例を示している。気体分子成分検出装置は、絶縁基板となる石英基板２上にＡｕ電極３が形成され、その上に、Ｓｉナノ結晶粒子が平坦かつ高密度に配置されたＳｉナノ結晶薄膜１が形成されている。２つのＡｕ電極３は一方がプラス電極となり他方がマイナス電極となるように電源回路４が構築される。プラス電極とマイナス電極のＡｕ電極３の間にあるＳｉナノ結晶薄膜１に電流が流れる。図示しないが、電源回路４には流れる電流を測定する回路があり、Ｓｉナノ結晶薄膜１の電気伝導度を測定できるようになっている。プラスとマイナスのＡｕ電極３の間隔は２００μｍである。電極間隔および電極形状については、特に限定されないが、抵抗を低くすべく、電極間隔は短く、各々の電極を櫛形にして噛み合わせて電極幅を大きくする方が感度を向上できるであろう。
Ｓｉナノ結晶粒子の粒径（直径）は平均粒径が３ｎｍである。特に、平均粒径を明示しない限り、以下の説明は、全て平均粒径が３ｎｍのＳｉナノ結晶薄膜に関する説明である。なお、電気伝導度の測定は大気中で行っている。
【００２３】
（気体分子成分検出装置の作製フロー）
図２，図３は、気体分子成分検出装置の作製フローを示している。先ず、高周波スパッタリング法 （Radio Frequency Sputtering）を用いて、ボロンリンシリケートガラス(ＢＰＳＧ：Boron Phosphorus Silicate Glass)膜１１を作製する（図２のステップＳ０１、図３（１）を参照）。次に、作製したＢＰＳＧ膜１１に対して、窒素雰囲気で１０５０〜１２００℃で３０分間、アニール処理を施して、ＢＰＳＧ膜１１中にＳｉナノ結晶１２を成長させる（図２のステップＳ０２、図３（２）を参照）。その際、Ｓｉナノ結晶に、ボロン（Ｂ）とリン（Ｐ）を同時にドーピングして、ボロン／リンがドーピングされたＳｉナノ結晶粒子を得る（図２のステップＳ０３）。
ここで、ＢＰＳＧ膜１１を作製した時点で、既にＢＰＳＧ膜中にボロンとリンが入っている。ＢＰＳＧ膜１１のアニール処理中に、Ｓｉナノ結晶１２がＢＰＳＧ膜１１中に形成されるが、その形成過程において、ボロンとリンがＳｉナノ結晶１２に同時に取り込まれることにより、Ｓｉナノ結晶の中にボロンとリンが同時に不純物ドーピングされることになる。
不純物ドーピング量の制御は、高周波スパッタリングの条件を変えて制御することが可能である。本作製フローでは、図３（１）に示すように、スパッタリングのターゲットとして、Ｓｉ基板、リンシリケートガラス（ＰＳＧ：Phosphosilicate glass）ターゲット及びタブレット状の三酸化ホウ素（Ｂ２Ｏ３）を配置して、同時にスパッタリングを行っているが、これらの材料の配置の仕方で、不純物ドーピングの濃度をある程度調節できる。
なお、ボロンとリンを同時にドーピングする方法としては、Ｓｉ基板であればイオン注入法が行われているが、本発明者らが知る限りでは、Ｓｉナノ結晶中にボロンとリンを同時にドーピングする他のやり方は見当たらない。
【００２４】
次に、ＢＰＳＧ層をフッ化水素酸１４（ＨＦ）(４６ｗｔ％) で除去し、ボロンとリンが同時にドーピングされたＳｉナノ結晶１５を取り出す（図２のステップＳ０４、図３（３）を参照）。その後、メタノール（ＭｅＯＨ）１６に溶媒を置換して、Ｓｉナノ結晶１５が個々に分散した
Ｓｉナノ結晶コロイド溶液を調製する（図２のステップＳ０５、図３（４）を参照）。メタノール（ＭｅＯＨ）は極性溶媒であるが、この極性溶媒中に表面修飾分子を用いることなくＳｉナノ結晶を個々に分散させることができる。
【００２５】
Ｓｉナノ結晶コロイド溶液を塗布する基板について説明する。既知の方法（例えば、シャドウマスク法）により、石英基板上にＡｕ電極を構築する（図３（５）を参照）。ここでは、電極間隔（Ｌ）２００μｍ、電極幅（Ｗ）５ｍｍ、電極厚さ（ｔ）２００ｎｍのＡｕ電極／石英基板を準備する。
そして、準備したＡｕ電極／石英基板を紫外線／オゾン（ＵＶ／Ｏ３）クリーニング処理した後、調製したＳｉナノ結晶コロイド溶液を基板上にスピンコートして（図２のステップＳ０６、図３（６）を参照）、Ｓｉナノ結晶薄膜を作製する。
【００２６】
（Ｓｉナノ結晶薄膜の電気伝導度特性について）
作製したＳｉナノ結晶薄膜の電気伝導度の温度依存性について、図４に示すグラフを参照して説明する。図４のグラフは、横軸がＡｕ電極間の電圧（ｋＶ／ｃｍ）、縦軸が電流値（Ａ）である。大気中で測定し、基板温度が２２，２８，４２，５５，６７，７９，９３℃の７種類の状態の際のＳｉナノ結晶薄膜の電気伝導度をグラフ中に示している。直流電源を用いて電極につなげているが、つなげる向きをプラス／マイナス逆にした場合も測定しているため、横軸中央を０電圧としている。図４のグラフから、基板温度が上昇するほど、薄膜を流れる電流値が減少することがわかる。これは、Ｓｉナノ結晶薄膜に吸着している水分子が脱離したことにより、電流値が減少したと推察する。
【００２７】
次に、図５のグラフを参照して、水分子の吸着／脱離による電気伝導度の変化について説明する。図５のグラフは、横軸が時間（分）、縦軸が電流値（Ａ）である。グラフ上部にある帯体は、排気している時間帯、空気（Ａｉｒ）導入の時間帯をそれぞれ示している。すなわち、５分までは排気しているが、５〜８分はＡｉｒ導入しており、８〜１０分は再び排気している。そして、１０〜１３分は再びＡｉｒ導入しており、１３〜１５分は排気している。このように排気とＡｉｒ導入を繰り返している。Ａｉｒ導入されると、空気中の水蒸気も同時に導入されることになる。
図５のグラフから、分子（水分子）の吸着、脱離により電気伝導度を表す電流値が１０−６〜１０−７Ａ付近から１０−１１〜１０−１２Ａ付近まで最大５桁変化していることがわかる。ここで、電極間の電圧は５０Ｖである。
【００２８】
次に、図６のグラフを参照して、水蒸気、窒素、酸素に対する電気伝導度の応答性について説明する。図６のグラフは、図５のグラフと同様、横軸が時間（分）、縦軸が電流値（Ａ）である。図６のグラフでは、図５のグラフとは異なり、排気している時間帯、Ａｉｒ導入の時間帯を示していないが、その代わり、ガス導入タイミング、真空引き開始タイミングを矢印で示している。すなわち、図６のグラフ中、凸形状のグラフが４回現れるが、その１つ１つの凸形状のグラフで左上頂点部がガス導入タイミングであり、右上頂点部が真空引き開始タイミングで、図示するようにグラフが変化しているのである。
図６のグラフから、窒素あるいは酸素雰囲気下では、大気中ほど電流が流れないことがわかった。一方、水蒸気雰囲気下では、電気伝導度が５桁上昇していることから、水分子が電気伝導に寄与していると推察する。
【００２９】
次に、図７のグラフを参照して、ボロン（Ｂ）とリン（Ｐ）の同時ドープのＳｉナノ結晶薄膜とアンドープのＳｉナノ結晶薄膜の対比における水分子の吸着／脱離による電気伝導度の応答性について説明する。図７のグラフは、図５のグラフと同様、横軸が時間（分）、縦軸が電流値（Ａ）である。図７のグラフから、ボロン（Ｂ）とリン（Ｐ）をドープしないＳｉナノ結晶薄膜（アンドープのＳｉナノ結晶薄膜）を使用した場合、測定が進むにつれてオンオフ比が減少していくことがわかった。これは、アンドープのＳｉナノ結晶薄膜では、測定中に酸化が進むことが要因であると推察する。一方、ボロン（Ｂ）とリン（Ｐ）の同時ドープのＳｉナノ結晶薄膜では、測定が進んでもオンオフ比は一定である。これは、Ｂ，Ｐ同時ドープのＳｉナノ結晶薄膜では安定的に測定が可能であることを示しており、Ｂ，Ｐ同時ドープのＳｉナノ結晶薄膜を用いる利点である。
【００３０】
次に、図８のグラフを参照して、有機溶媒蒸気による電気伝導度の依存性について説明する。図８のグラフは、図６と同様なグラフであり、横軸が時間（分）、縦軸が電流値（Ａ）である。
図８のグラフでは、メタノール（ＭｅＯＨ）、エタノール（ＥｔＯＨ）、アセトン（Ａｃｅｔｏｎｅ）、トルエン（Ｔｏｌｕｅｎｅ）の蒸気、および水蒸気（Ｗａｔｅｒ）についての電気伝導度を示している。ここで、電極間の電圧は５０Ｖである。
図８のグラフから、メタノール、エタノール、アセトン、トルエンの蒸気で電流値が増加していることがわかった。オンオフ比は水ほど高くなく、有機溶媒蒸気の中で最もオンオフ比が高いメタノール（ＭｅＯＨ）でも、最大で４桁程度であった。
【００３１】
次に、図９のグラフを参照して、電気伝導度の水蒸気圧依存性について説明する。図９のグラフは、横軸が水蒸気圧（Ｐａ）、縦軸が電流値（Ａ）である。水の飽和蒸気圧は、常温（３００Ｋ）で、３５００（Ｐａ）である。
図９のグラフから、電気伝導度は水蒸気圧に対して正の相関があることがわかった。なお、グラフ中、１００Ｐａ以下の圧力では、電流値が電流測定の下限以下であり、プロットが横ばいになっているが、実際のところ、１００Ｐａ以下の圧力でも１００Ｐａ以上の圧力の場合と同様なプロットになっているであろう。
【００３２】
次に、図１０のグラフを参照して、電気伝導度のＳｉナノ結晶粒子サイズ依存性について説明する。図１０のグラフは、横軸がＳｉナノ結晶粒子サイズ（ｎｍ）、縦軸（左）が電流値（Ａ）、縦軸（右）が薄膜表面積（ｍ２）である。図１０のグラフには、Ｓｉナノ結晶粒子サイズが３，５，７，１０（ｎｍ）の４種類についてプロットしている。なお、真空度は４．６Ｐａである。
図１０のグラフから、分子の吸着による電気伝導度変化の応答性は粒子サイズに依存していることがわかった。特に、Ｓｉナノ結晶粒子サイズが３，５，７（ｎｍ）の３種類は、オンオフ比が４桁程度であり、オンオフ比が２桁程度の１０（ｎｍ）の場合と比べて良好であった。
【００３３】
次に、図１１のグラフを参照して、Ｓｉナノ結晶粒子サイズ毎の電気伝導度の温度依存性について説明する。図１１のグラフは、横軸が基板温度（℃）、縦軸が電流値（Ａ）である。図１１のグラフには、Ｓｉナノ結晶粒子サイズが３，５，７，１０（ｎｍ）の４種類についてプロットしている。なお、電極間の電圧は２５Ｖである。
図１１のグラフから、常温から１００℃近くに温度が上昇すると、吸着分子の脱離により電気伝導度が低下することがわかった。具体的には、常温付近では１０−８Ａオーダの電流値であるが、１００℃近くになると１０−１２Ａオーダの電流値となり、３〜４桁変化していた。
【００３４】
ここで、Ｓｉナノ結晶の赤外吸収スペクトルについて、図１２，図１３を参照して説明すると共に、Ｓｉナノ結晶薄膜の電気伝導過程の推察について、図１４の模式図を参照しながら説明する。
図１２は、平均粒径が７ｎｍのＳｉナノ結晶の赤外吸収スペクトルを示している。Ｓｉナノ結晶は、結晶表面にボロン（Ｂ）とリン（Ｐ）が同時にドーピングされており、赤外吸収スペクトルから、Ｓｉ−Ｏ（酸素）結合、Ｂ（ボロン）−Ｏ（酸素）結合、Ｓｉ−Ｈ（水素）結合、Ｏ−Ｈ結合がＳｉナノ結晶に存在することがわかっている。
Ｓｉナノ結晶の表面組成は、Ｓｉ−Ｏ（酸素）結合が８０〜９０％、Ｓｉ−Ｈ（水素）結合が１０〜２０％、Ｂ（ボロン）−Ｏ（酸素）結合が１％程度である。すなわち、Ｓｉナノ結晶粒子の表面は殆どがＯ（酸素）と結合しており、最も外側の第１層はＯ（酸素）かＨ（水素）が終端され、表面から第２層のＳｉの一部がボロン（Ｂ）やリン（Ｐ）に置換されている。
【００３５】
図１３は、Ｓｉナノ結晶の赤外吸収スペクトルにおけるＯ−Ｈ（Ｖｂ）領域の拡大図である。１６３０（ｃｍ−１）にあるピークは、吸着水分子あるいは水和物の存在を示すことが知られており、また１７００（ｃｍ−１）にあるピークは、水和物の存在を示すことが知られている。１７００（ｃｍ−１）にあるピークが示す結合は、１６３０（ｃｍ−１）にあるピークが示す結合よりも水素結合が強いことが知られている。
【００３６】
表面修飾分子が無く、結晶表面にボロン（Ｂ）とリン（Ｐ）が同時にドーピングされたシリコンナノ結晶薄膜の場合、上述の如く、置換されるボロン（Ｂ）の量がリン（Ｐ）の量に比べて多いため、Ｓｉナノ結晶は全体として負に帯電している。そのため、Ｓｉナノ結晶粒子は、凝集せず、負の電荷同士の反発力によって一定の間隙を有して並んでいる。
図１４に示すように、Ｓｉナノ結晶粒子が一定の間隙を有して並んでいるため、これらの間隙に吸着水分子（図中のＡ）が入り込むことができる。間隙に吸着水分子が入り込んだ状態では、電気伝導パスは吸着水分子表面またはＳｉナノ結晶内部になるので、トンネルバリアが減少し、電流が流れやすくなり、電気伝導度が向上するのであろう。しかし、加熱下または真空下では、水分子が間隙から脱離するので、電流が流れにくくなり、電気伝導度は低下するのであろう。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明は、微小水分センサに有用である。
【符号の説明】
【００３８】
１，２１  Ｓｉナノ結晶薄膜
２，１７  石英基板
３，１８  Ａｕ電極
４  電源回路
１１  ボロンリンシリケートガラス（ＢＰＳＧ）膜
１２，１５  Ｓｉナノ結晶
１３  容器
１４  フッ化水素酸（ＨＦ）
１６  メタノール（ＭｅＯＨ）
１９  スポイド
２０  Ｓｉナノ結晶コロイド溶液
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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