特集

ナノメカニクス研究の最前線

ナノメカニクス

フォノン

ナノテクノロジ

ナノメカニクス研究の概要と展望

昨今，微細な構造の機械的な振る舞いを活用した MEMS（MicroElectro Mechanical Systems）の技術が，携帯端末や車載機器などさまざまな場面で用いられています．本稿では，この MEMS 技術をひろし

さらに発展させたナノメカニクス技術について，NTT 研究所で行山口

われている研究成果を中心に，その概要と今後の展望について紹介

NTT 物性科学基礎研究所† 1します．

浩司

†１

ごとう後藤

ひでき秀樹

†2

NTT 物性科学基礎研究所 所長† ２

う意味でしょうか．英語の me­c han­が，例えば， 1 秒間に440回振動を繰

ics の和訳は力学とされています．力り返すと，440ヘルツ（Hz）の振動に「ナノメカニクス」という言葉を聞学と聞いてまず思い出すのは，リンゴなります．これは音楽の「ラ」の音にかれて，皆さんは何を想像されるでが落ちるのを見て万有引力の発見につ対応します．523.23 Hz だと少し高い

しょうか．ナノテクノロジという言葉ながったとされるニュートン力学で「ド」の音，783.98 Hz だと，さらに高が使われ始めて随分経っていますのす．これは，モノ（リンゴ）の動きと，い「ソ」の音になります．振動が早くで，「ナノ」は非常に小さいことを表

それを引き起こす力（万有引力）が，なるほど高い音になるわけですが，高現する言葉としてご存じの方も多いとどのような関係にあるかを記述した学い音を出すためには鐘を小さくすれば思います．
「ナノメートル」という単問です．したがって，ナノメカニクスよいことは容易に想像できると思いま位がその語源であり，正確に書くと10とは，ウイルスのサイズに代表されるす．すなわち，もしナノのサイズで鐘億分の 1 メートルという極めて小さい

極めてミクロな世界において，モノにをつくったらその振動は極めて高い周サイズを表します．なかなか簡単に想加わる力と，それによる動きを研究す

波数で起きるわけです．私たちの研究像できない大きさですが，原子の大きる分野ということになります．私たちのエッセンスはこの部分にあります．

さが0.1～0.2ナノメートル程度なので，が研究の対象としているナノメカニク

すなわち，最先端の微細加工技術を用

その数倍程度の大きさというわけでス技術は，このような小さな力と小さいて極めて小さな「鐘」を作製し，そす．次の単位は「マイクロメートル（ミな動きを用いて，新しい微細構造素子れが持つ高い周波数の振動を用いた新クロン）」となり100万分の 1 メートル（デバイス）技術を開拓しようというしい技術を開拓しようとしているわけを意味しますので，だいたい 1 ナノメー試みになります．

です．

ナノメカニクス技術とは

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やまぐち

トルから 1 ミクロンに至る範囲の大き

さて，ナノの世界からは少し離れ，さを扱う技術をナノテクノロジと呼ぶ

お寺の鐘を想像していただけるでしょことになります．現在猛威を振るってうか．鐘を叩くとなぜゴーンという音

いくら半導体の微細加工技術が進んいる新型コロナウイルスは，おおよそが鳴るかというと，鐘を構成しているでいるといっても，お寺の鐘と同じか100ナノメートルという大きさなので，金属が，叩かれることによって周期的たちの構造をナノスケールに縮小した

ちょうど，その程度の大きさを扱う技

な弾性振動を引き起こすためにほかあものをつくることはたやすくありませ

術ということができるかと思います．

りません．この振る舞いも力学の法則ん．そこで，もっとつくりやすい簡単

では「メカニクス」のほうはどういを用いて正確に記述できるわけです

な構造を振動させて，その機能を使い2022.2

ナノメカニカル振動子

特集ます．図 1 にその代表例を示します．

を回路に沿って伝えていく素子についしたがって，ナノメカニカル素子を活

図 1（a）はカンチレバー（片持ち梁）ても解説していますが，この導波路は用することにより，いわゆる超音波あと呼ばれる構造です．ちょうど，プーメンブレン振動子を多数等間隔に連続るいは携帯電話の周波数に相当する極ルの飛び込み板のような形状で，端をさせた形状となっています．

超音波と呼ばれる高い周波数の振動を叩けば振動するわけです．図 1（b）はさて，表 1 は，カンチレバーならび制御できる技術を実現できることにな

両持ち梁と呼ばれ，橋のようなかたちに両持ち梁の周波数が，構造のサイズります．私たちはこのような視点から，です．両側が固定されていますのでカとともにどのようになるかを，代表的20年近く前よりナノメカニクスの研究

ンチレバーより動きが硬く，高い振動な半導体の 1 つであるガリウムヒ素を続けてきました．扱っている周波数周波数を持ちます．薄い板状の例を図（GaAs）に対して示したものです．

は100キロヘルツ程度から 1 ギガヘル（b）に示しましたが，円柱状の構1（a）同じ形状でも両持ち梁のほうがカンチツの範囲に及びますが，今回の特集で造でもかまいません．本特集で紹介すレバーより 6 倍ほど周波数が高くなりは主に10メガヘルツまでの比較的低い

るナノワイヤを用いた研究は，結晶成ますが，長さがミクロンサイズより短周波数領域の研究を紹介します．

長により作製した直径数百ナノメート

くなった段階で，ギガヘルツの周波数ルの円柱構造をカンチレバーあるいは領域に入ることが分かります．ギガヘ

両持ち梁状の振動体として用いたもの

ルツというのは携帯電話の電波に使わところで，このような弾性的な動きです．図 1（c）は円形メンブレン振動れている周波数です．私たちの耳に聞を素子として活用する技術として，い子で，ちょうど太鼓のような形状にこえる音は，もっとも高い音でも10～わ ゆ る MEMS（Micro­ Electro­

なっています．今回の特集でフォノ

20キロヘルツ程度ですが，その10万倍Mechanical­ Systems）が活発に研

ニック結晶導波路と呼ばれる弾性振動も高い周波数ということになります．

究されています．私たちの研究では 2

ナノメカニクスの応用

つの独自のアプローチを用いることにより，MEMS の次世代技術ともいうll

べき「ナノメカニクス」技術の研究を進めています（表 ２ ）．第一は，弾性tt（a） カンチレバー特性の非線形性を用いることです．「非線形性」というのは耳慣れない言葉か（b） 両持ち梁と思いますが，実はダイオードやトランジスタなどの半導体素子は，コイルやコンデンサ，抵抗などの「線形」な特性を持つ素子にはない非線形性を持つことで，さまざまな機能を持たせる（c） 円形メンブレン構造

図1

ことに成功しました．非線形性とは，ナノメカニカル振動子の代表例

入力と出力が比例しないことを意味します．例えば，抵抗器では加えた電圧

表₁カンチレバーならびに両持ち梁の振動周波数の計算値に比例する電流が流れますが，ダイ

l の長さ

₁ mm

₁00 µ m₁0 µ m₁ µm

₁00 nmカンチレバー

₃2 kHz₃20 kHz

₃.2 MHz

₃2 MHz₃20 MHz

両持ち梁

200 kHz

2 MHz

20 MHz200 MHz2 GHz

l は構造の長さ，t は厚さ（図 ₁ 参照）で，それらの比（l/t）を20，材料としてガリウムヒ素を用いたときの計算値

オードでは，それらは比例しません．
さらにトランジスタでは電極に加えた電圧や電流によって，この非線形特性が変化します．メカニカル振動子の場

2022.22₇

特集

ナノメカニクス研究の最前線

合，この特徴は加えた力に対し振動のいられてきたこのような材料において可能です．どの程度小さな振動を検出大きさが比例しないことに相当します

は，弾性振動による新しい原理の電子できるかというと，0.1ピコメートル（10が，微細化に伴い，このような非線形デバイスや光デバイス，あるいは，超兆分の 1 メートル）という，原子より性の影響は顕著になります．この特性高感度のセンサ技術などの応用が期待

さらに小さな原子核の直径に匹敵するを活用した「非線形」ナノメカニカルされます．特に，いわゆる量子デバイ小さな変位を検出することができま素子を実現することにより，ダイオースとして知られているナノ構造を組みす．この原理により，梁が受けた著しドやトランジスタなどと同じような革込むことにより，昨今注目されているく小さな力による変位を検出すること新的機能を持つナノメカニカル素子を量子技術への応用が可能となります．

が可能となり，超高感度の加速度や磁つくり出すことをめざしています．も

図 ２ はこのような一例として実現し気，あるいは分子や原子のセンサの核

う 1 つの試みは，半導体や光材料などた超高感度センサの電子顕微鏡写真で心部として用いることができます．の機能性材料を用いることにより新しす ．両持ち梁構造の根元部分に量子本特集では，最近，私たちのグルーい機能をつくり出すことです．これまドット構造が埋め込まれており，梁のプで研究が大きく進んだ 5 つのトピッ

で電子デバイスや光デバイスとして用弾性振動を超高感度に検出することがクスについて紹介します．まず，非線（1）形ナノメカニクスの例として，新しい表2

カオスの発生手法について紹介しまエレクトロニクスとメカニクスにおける素子と機能の比較
非線型素子

線形素子

エレクトロニクス

二端子素子

三端子素子

す（2）．カオスはこれまでランダムで掴

量子素子

インダクタ
コンデンサ
抵抗器

ダイオード

トランジスタ

量子ビット
量子メモリ

同調器
フィルタ

検波
整流

増幅 ･ スイッチ
メモリ ･ 演算

量子計算
量子計測

共振器

で，応用するうえでは，むしろ障害となる現象とみられていました．しかし，昨今の機械学習の分野では，このカオ
ス的な振る舞いが機械学習の効率を改善するうえで重要な役割を果たすと期

高周波フィルタ
センサ ･ ジャイロ
マイクロフォン

メカニクス

みどころのない振る舞い，という意味待されています．また，カオスを使っ今後の研究対象た秘匿通信なども提案されており，いメカニクスでは非線形素子ならびに量子素子はまだこれからの研究対象であり，それらが発展することによりダイオードやトランジスタと同様の大きな技術的飛躍が期待される．

かにしてカオスを制御よく発生させるかは，応用上も重要な研究課題であるということができます．
2 番目のトピックスとして，フォノ

導電領域加振用
交流電圧制御用
電極

量子ドット
振動子

電流（ガリウムヒ素）

構造が振動することにより量子ドットに歪が加わるが，この歪が量子ドットを流れる電流に大きな変化を与えるため，電流の変化を測定することにより梁構造の振動を高感度に検出できる．

図22₈

量子ドットを組み込んだ振動子（両持ち梁構造）

2022.2

ニック結晶を用いたフォノン導波路について紹介します（3）．フォノンとは，光に対するフォトン，電流に対する電子などと同じ意味で用いられ，音波などの弾性振動の基本単位となる「音の粒子」にあたります．私たちは非線形性を用いて，このフォノンの流れを制御する手法を新たに開拓しました．これはちょうど，電子回路を流れる電流，すなわち電子の流れを電圧で制御する

特集

トランジスタと同様の役割を持ち，音ノメカニカル振動子として用いること波，すなわちフォノンの流れを外部かにより，電子デバイス，光デバイス，ら制御する「フォノントランジスタ」

量子デバイスを組み合わせた高度な機を世界で初めて実現した研究といえま

能をナノメカニクスデバイスに取り込す．電子回路と同様に，ナノメカニクむことが期待されます．

スデバイスの集積回路が実現できれ最後のトピックスでは，これらのナば，この素子は，その中核を担う役割ノメカニカル素子を作製する手法としを持つことが期待されます．て，インクジェット技術を用いた架橋

3 番目のトピックスは，光ファイバナノワイヤ電気機械素子の作製についなどに広く用いられている光材料であて紹介します（6）．インクジェット技術

る希土類元素を用いた新しいオプトメは皆さんの身近にあるプリンターの基（4）カニクス素子です ．オプトメカニク

盤技術として知られていますが，昨今，スとは，光とメカニクスの両方の機能

この手法は新しい微細構造作製技術とを融合した技術のことで，昨今，研究しても使われ始めています．この解説が大きく進展している技術分野の 1 つ

では，結晶成長により作製した半導体です．エルビウムなどの希土類元素ナノワイヤを，どのようにして半導体は，通信波長帯の光の吸収や発光を担ウエハの上の所望の位置に並べ，ナノう材料であり，その特性制御は光通信メカニカル素子として組み上げるかに技術において広く活用できるとともついて説明します．に，量子技術への応用も期待されます．本特集では，希土類元素の 1 つで今後の展望あるエルビウムをカンチレバーに組み本稿では，本特集で紹介するナノメ込み，希土類元素の発光を弾性振動にカニカル技術に関して，その概要を簡より変調する新しい技術について紹介

単に紹介しました．電子デバイスや光します．

デバイスに比較し，ナノメカニカル素4 番目のトピックスでは，同じくオ子はまだまだ研究が始まったばかりのプトメカニクスの技術を使って，光に段階であり，今後大きな発展が得られより半導体ナノワイヤからなるカンチる可能性があります．NTT 物性科学

レバー構造の振動を高感度に検出した基礎研究所では，機械学習などの新し例について紹介します ．半導体ナノ

い情報処理や，高感度低消費電力セン

ワイヤは，気相成長などの結晶成長法

サなどの IoT（Internet of Things）によって作製されるナノ構造です．リ技術，さらには量子通信や量子計測なソグラフィなどの微細加工を使用しなどに貢献する新しい原理のナノメカニ

いため構造の結晶性が高く，半導体カル素子の開拓をめざして研究を進めレーザや高速トランジスタに用いられています．

（5）ているヘテロ構造や，量子技術の要である量子ドットなどのナノ構造を組み込むことが可能です．ナノワイヤをナ

electromechanical backaction induced by aquantum dot,” Nat. Commun., Vol. 7, No.
11132, 2016.
（2） 山口 ・ Samer ・ 浅野：“ ナノメカニカル振動子による新しいカオス信号生成手法，” NTT
技術ジャーナル，Vol.34，No.2，pp.30-33，2022．
（3） 畑中 ・ 黒子 ・ 山口：“ フォノン導波路やフォノニック結晶を用いた弾性波の制御，” NTT技 術 ジ ャ ー ナ ル，Vol.34, No.2, pp.34-38,2022．
（4） 太 田 ・ Victor ・ 山口 ・ 岡 本：“ 光 の エネル
ギー損失が極めて少ないオプトメカニカル
素 子 の 創 出，” NTT 技 術 ジ ャ ー ナ ル，
Vol.34, No.2, pp.39-42, 2022．
（5） 浅野 ・ 章 ・ 山口 ・ 岡本：“ 光キャビティを用いたナノワイヤ振動子の高感度検出と制御，” NTT 技 術 ジ ャ ー ナ ル，Vol.34, No.2,pp.43-46, 2022．
（6） 佐々木 ・ 舘野 ・ 岡本 ・ 山口：“インクジェット技術を用いた架橋ナノワイヤ電気機械素子の作製，” NTT 技術ジャーナル，Vol.34，No.2, pp.47-50, 2022．

■参考文献（1） Y. Okazaki, I. Mahboob, K. Onomitsu, S.
Sasaki, and H. Yamaguchi: “Gate-controlled（左から）山口  浩司 / 後藤  秀樹
メカニカル振動子は，鐘や太鼓などの楽器に始まり，水晶振動子や携帯端末用の高周波フィルタなど，さまざまな場面で活用されてきた技術要素です．非線形性や量子性などを活用したナノメカニク
スは，その機能を大幅に広げる新技術として今後の発展が期待されます．

◆問い合わせ先NTT 物性科学基礎研究所
フロンティア機能物性研究部
ナノメカニクス研究グループ
TEL 046-240-3475
FAX 046-240-4317
E-mail hiroshi.yamaguchi.zc

2022.2hco.ntt.co.jp

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