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Control of defects in polycrystalline ZnO thin films for chemical sensor

Research Project

Project/Area Number 20K04582
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (C)

Allocation TypeMulti-year Fund
Section一般
Review Section Basic Section 21050:Electric and electronic materials-related
Research InstitutionKochi University of Technology

Principal Investigator

Makino Hisao  高知工科大学, システム工学群, 教授 (40302210)

Project Period (FY) 2020-04-01 – 2023-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help
¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
Fiscal Year 2020: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
Keywords酸化亜鉛 / 欠陥 / 結晶極性 / ガスセンサ / 化学センサ / 粒界 / 酸化物 / 化学状態 / 相互拡散 / 多結晶薄膜
Outline of Research at the Start

酸化物半導体である酸化亜鉛は、機能性材料として広く期待されている。本研究では、低温・大面積で成膜可能なスパッタ成膜法による酸化亜鉛多結晶薄膜において、結晶極性や分極といった結晶構造に由来する特性を制御する。最先端の分析装置である硬X線光電子分光法を用いて、成膜時に生成される結晶の不完全性である欠陥の特徴や性質を理解する。さらに、格子欠陥、結晶粒界など、多結晶薄膜に多く存在する欠陥の生み出す機能応用として水素ガスセンサの検出感度を向上させ、将来の水素社会における安心安全に寄与する。

Outline of Final Research Achievements

Zinc oxide, a semiconductor oxide, is a safe material used as sunscreen and medicine, while it is also widely expected to be a functional material for light emission, solar cells, and chemical sensors. In this study, we have controlled the properties derived from the crystal structure, such as crystal polarity, in polycrystalline zinc oxide thin films deposited by the sputter deposition method, which enables low-temperature and large-area deposition, and clarified the characteristics and properties of defects, which are imperfections in the crystal formed in the films. Furthermore, the detection sensitivity of gas sensors as a functional application of the defects produced in polycrystalline thin films, such as lattice defects and crystal grain boundaries, was improved, indicating the possibility of improving sensor characteristics that will contribute to safety and security in the future hydrogen society.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

酸化亜鉛(ZnO)はc軸方向に自発分極を持ち、薄膜特有の歪によるピエゾ分極効果など、多彩な機能性材料として期待されている。ZnO多結晶薄膜においてAl極薄膜を用いた極性制御を実現し、極性由来の特徴が電気特性や化学反応性に違いを生むことが示された。学術的な観点では、Al金属膜とZnOの界面反応の解明、界面化学結合を利用した構造特性制御、多結晶薄膜に特有な粒界特性の改質などの新たな知見が得られた。機能応用の観点では、表面処理工程の最適化により反応サイトを制御しガス応答性を劇的に増大させる可能性がある。

Report

(4 results)
  • 2022 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2021 Research-status Report
  • 2020 Research-status Report
  • Research Products

    (9 results)

All 2022 2021 2020 Other

All Int'l Joint Research (2 results) Presentation (7 results)

  • [Int'l Joint Research] Corning(米国)

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Int'l Joint Research] The Hong Kong Polytechnic University(中国)

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] Al積層AZO薄膜のその場熱処理による低抵抗化と積層界面の化学状態分析2022

    • Author(s)
      古賀直弥、牧野久雄
    • Organizer
      2022年度 実用表面分析講演会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] Polarity control of polycrystalline ZnO thin films deposited by magnetron sputtering on glass using an ultrathin aluminum layer2022

    • Author(s)
      HisaoMakino, Ayuto Kawamura, Chikato Hata, Nanase Kawahata
    • Organizer
      The 9th International Symposium on Control of Semiconductor Interfaces
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] In-situ heat treatment of Al stacking AZO thin films for low resistivity2022

    • Author(s)
      Naoya Koga, Hisao Makino
    • Organizer
      The 22nd International Vacuum Congress
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] ガラス基板上でのZnOの極性制御2022

    • Author(s)
      川村鮎人、牧野久雄
    • Organizer
      2022年度 応用物理学会中国・四国支部 若手半導体研究会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] 硬X線光電子分光法による酸化亜鉛透明導電膜/保護膜界面の評価2022

    • Author(s)
      牧野久雄、Dao Thi Hoa
    • Organizer
      表面分析研究会 第58回研究会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] Al積層AZO薄膜のその場熱処理による低抵抗化2021

    • Author(s)
      古賀 直弥, 牧野 久雄
    • Organizer
      2021年度応用物理・物理系学会中国四国支部合同学術講演会
    • Related Report
      2021 Research-status Report
  • [Presentation] 硬X線光電子分光法によるGa添加ZnO膜上のAl薄膜の評価2020

    • Author(s)
      武田樹、秦睦人、牧野久雄
    • Organizer
      2020年度実用表面分析講演会
    • Related Report
      2020 Research-status Report

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Published: 2020-04-28   Modified: 2024-01-30  

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