2016 Fiscal Year Research-status Report
シリコンナノ粒子インクによるプリンタブル多孔質シリコン膜
| Project/Area Number |
15K05994
|
|---|
| Research Institution | University of Hyogo |
|---|
Principal Investigator |
佐藤 井一 兵庫県立大学, 物質理学研究科, 助教 (90326299)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
|
| Keywords | シリコンナノコロイド / ポーラスシリコン / プリンテッドエレクトロニクス |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、多孔質シリコン(Si)膜の塗布形成に適したSiナノ粒子インクを開発し、その多孔質Si膜を用いてデバイスを試作することを目指している。平成28年度は、出発材料にn型Si、もしくはp型Siを用いてSiナノ粒子インクを作製し、以前からのノンドープSiによるSiインクと共に3種類のSiインクを用いて多孔質Si膜を作製してデバイス特性を調べた。
デバイスを作製するうえで、一様な多孔質Si膜を固体基板上に形成することが重要である。この点に関して、昨年度の研究実施状況報告書に記載した「インク粒子と基板とのファンデルワールス相互作用の数値計算」が、一様膜形成の可能性を予想するのに役立つことを更なる追加実験によって確かめた。これにより、使用する基板に適したSiナノ粒子の表面修飾子と溶媒の組み合わせを計算により探ることができるようになり、膜形成の作業が効率的になった。
デバイス応用へ向けた多孔質Si膜の電気的評価では、ガスセンサーとしての特性に新たな成果が出た。n型Siを出発材料として塗布形成した多孔質Si膜では、還元性ガスである一酸化炭素雰囲気内で抵抗値が大幅に下がることが確認された。p型Siを出発材料に用いた多孔質Siは、酸化性ガスである酸素雰囲気内で抵抗値が高まった。これらの雰囲気ガス依存性は、チオール修飾Siナノ粒子インクから作製した多孔質Si膜で現れ、アルコキシ修飾Siナノ粒子インクから作製された膜では現れなかった。前者の多孔質Si膜は表面Si原子が硫黄原子終端、後者は酸素原子終端となることが確かめられているので、電気伝導の雰囲気ガス依存性は、表面硫黄原子からの電子供給に関連していると考えられる。このメカニズムに関しては、現在、調査中である。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
一様な多孔質Si膜の塗布形成に成功した固体基板は、金、グラファイト、インジウムスズ酸化物、水素終端Siウェハー、ソーダ石灰ガラス、石英である。これまで、一様な多孔質Si膜を塗布形成するには、多くの試行錯誤を繰り返していた。しかしこの作業は、インク溶媒内での「固体基板とSiナノ粒子の表面修飾子間に生じるファンデルワールス相互作用」を計算することで省力化できることが明らかになった。この計算はリフシツ理論に基づいておこなった。現在、この成果を論文にまとめている。
Siインク粒子に関しては、p型、n型、ノンドープSiの3種類を作製した。これらのインクから、3種類の多孔質Si膜が全く同じ方法で形成されることを確認した。それらの膜の電気伝導の雰囲気ガス依存性を調べたところ、n型多孔質Si膜は、一酸化炭素が混入すると電気伝導が敏感に変化することが確かめられた。この成果は、H29年の国際会議(EM-NANO2017)で発表する予定である。
光伝導性の評価に関しては、粒径の異なるSiナノ粒子インクを用いて多孔質シリコン膜を形成し、電気伝導性の照射光波長依存性を調べている。現在、電気伝導性が際立って増加する波長が粒径によって変化することを示すデータが取れ初めており、粒径を広範囲に変化させてデータを取ることに取り組んでいる。
Siナノ粒子の超格子化に関しては、本研究のSiナノ粒子と同じ表面修飾基をもち、粒径分布が広い銀(Ag)ナノ粒子を用いて試験的な実験を行った。その結果、Agナノコロイドに塩酸蒸気を晒すことで、Agナノ粒子がゆっくりと自己集合し、超格子化が可能となることを確認した。
|
| Strategy for Future Research Activity |
塗布形成された多孔質Si膜のデバイス特性を引き続き調べると共に、Siナノ粒子の自己集合を利用した超格子化を目指す。
デバイス特性に関しては、n型、p型、ノンドープSiナノ粒子インクから多孔質Si膜を作製し、次の2種類の研究をおこなう：(1)様々なガス雰囲気内での電気伝導を調べることでガスセンサーとしての特性を評価する。使用するガスは、これまでの酸素、一酸化炭素に加え、二酸化炭素、水素、メタンを予定している。；(2)光照射下での電気的評価により、光検出器や太陽電池としての特性を調べる。これまでの研究で、本研究の多孔質Si膜にバンドギャップエネルギーの2倍以上の光子エネルギーをもつ光を照射すると、それ以下のエネルギーの光照射に比べて電気伝導性が大きく高まることが明らかになっている。伝導性変化について、Siナノ粒子の粒径依存性を調べ、そのメカニズムを検討する。今後はこの光照射実験を推進させるために、研究協力者として研究室内の大学院生を1名追加する（これでトータル3名の大学院生が研究協力者となる）。
超格子作製は、水中に分散させたSiナノ粒子に塩酸蒸気を適度に混入させ、Siナノ粒子を自己集合させることでおこなう。既にこの方法で銀ナノ粒子の超格子化に成功したので、同様の方法をSiナノ粒子に適用する。
|
| Remarks |
イノベーション・ジャパン2016（2016年8月25～26日、東京ビッグサイト（東京都江東区））での展示とショートプレゼンテーション、および、兵庫県立大学・知の交流シンポジウム2016（2016年9月26日，姫路商工会議所（兵庫県姫路市））での一般講演で、 本研究の成果を一般の方々に紹介した。
|
Research Products
(6 results)
