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2016 Fiscal Year Research-status Report

ナノカーボン電極を有する超高速ハイブリッド薄膜ガスセンシングデバイスの開発

Research Project

Project/Area Number 15K13972
Research InstitutionShinshu University

Principal Investigator

伊東 栄次  信州大学, 学術研究院工学系, 教授 (50303441)

Project Period (FY) 2015-04-01 – 2018-03-31
Keywords湿度センサ / カーボンナノチューブ / ポリイミド / ナノ誘電体 / ガスセンサ / 有機半導体
Outline of Annual Research Achievements

本年度は初年度に明らかとなった高速ガス応答計測・制御システムの改良と同システムを用いた湿度センサやガスセンサの応答解析・評価を行った。
初年度に湿度やガスの濃度調整および混合手法に課題が判明したためチャンバーの増設やシステムと自作プログラムの改良により解決をはかった。分流法やガス希釈方法を検討した結果、アセトンやエタノール、その他の1ppm以下の低濃度ガス制御や、0-100%RHの湿度制御を2-5分前後で行い、混合ガス容器に蓄えた調整したガスを高速電磁弁制御により超小型計測容器に送り込むことで10msでガス置換を可能とした。
同システムと当初計画であげたオシロスコープの包絡線波形計測により10ms台の高速な静電容量変化を計測することを試みた。その結果、CNTガス透過電極を有する容量型湿度センサの感湿膜厚を200-300nm程度に薄くした際の時間応答が立ち上がり(加湿)時に60ms程度、従来高速化が難しいとされていた立下り(除湿)時においても100ms程度と、特に後者において従来の報告例にある容量式湿度センサよりも10倍以上速い超高速応答を実証した。また、厚さ依存性からこれまでわからなかった感湿膜厚が1μm以下の領域においても拡散モデルを基礎としたモデル解析が可能であるとがわかった。
もう一つの研究目標に掲げた金属-極薄誘電体(絶縁層)-有機半導体-ガス透過電極からなる新型ガスセンサについては、2つのアプローチを行った。一つは極薄の絶縁層の実現で実効膜厚10nm以下を得るための高誘電率薄膜の開発に目途をたてた。また、有機半導体と金属ナノ粒子を担持したナノ誘電体材料を組み合わせた抵抗式ガスセンサを試作し、0-5ppmの低濃度アセトンガスを室温で計測することができた。エタノールガス(アルコールセンサ)についても飲酒運転の基準となる10-100ppmの検出を実証した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

高速、高感度なガス制御・評価システムの構築に成功した。これは従来なかった画期的なシステムとして内外の研究者から評価されている。
また、同システムを用いて世界最速の容量式湿度センサの開発と動作実証に成功した点は工学的に大きな意義がある。
新型の有機半導体ガスセンサについては各部の基本動作の確認段階であり最終年度までにある程度の動作検証が行えるものと考えている。動作検証段階で、すでに1ppm以下のガス検知能力を実証できたことから、現時点では最終目標であるMIS型構造での動作解析には至っていないもののこれまでの知見を組み合わせていくことで基本原理の提案とその動作検証に向けた準備は整いつつあると考えられる。
以上をふまえると挑戦的萌芽研究としてのチャレンジを通した新たな可能性を一部すでに実証し、他についても見出されつつあることを踏まえて、全体としては当初計画以上に進展していると判断した。

Strategy for Future Research Activity

湿度センサについては、動作モデルも構築と応用面での検討を考えている。容量式湿度センサとしてはすでに世界最速レベルの高速応答と動作安定性、優れた線形応答を示しているが、特に高速応答について、立下り(除湿)時の応答を100ms以下とした完全な0.1s以下の超高速応答の実現を検討する予定である。
新型有機半導体薄膜ガスセンサについてはガス選択性を念頭に置いた材料の組み合わせと抵抗式センサにおける応答評価を検討していく。また、MIS型構造とガス透過電極を組み合わせたガスセンサの実現と動作確認を目指す。

  • Research Products

    (11 results)

All 2017 2016

All Journal Article (3 results) (of which Peer Reviewed: 3 results,  Open Access: 1 results,  Acknowledgement Compliant: 2 results) Presentation (8 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Invited: 1 results)

  • [Journal Article] Fabrication of fast, highly sensitive all-printed capacitive humidity sensors2016

    • Author(s)
      Eiji Itoh and Akinori Takada
    • Journal Title

      Japanese Journal of Applied Physics

      Volume: 55 Pages: 02BB10

    • DOI

      doi.org/10.7567/JJAP.55.02BB10

    • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Interfacial Energy Alignment at the ITO/Ultra-Thin Electron Selective Dielectric Layer Interface and Its Effect on the Efficiency of Bulk-Heterojunction Organic Solar Cells2016

    • Author(s)
      Eiji Itoh, Yoshinori Goto, Yusuke Saka and Katsutoshi Fukuda
    • Journal Title

      Journal of Nanoscience and Nanotechnology

      Volume: 16 Pages: 3248-3253

    • DOI

      doi.org/10.1166/jnn.2016.12322

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Fabrication of organic FETs based on printing techniques and the improvement of FET properties by the insertion of solution-processable buffer layers2016

    • Author(s)
      Eiji Itoh and Akira Kanamori
    • Journal Title

      Japanese Journal of Applied Physics

      Volume: 55 Pages: 04EL06

    • DOI

      doi.org/10.7567/JJAP.55.04EL06

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Presentation] 室温動作する白金触媒担持アルミナナノロッドと有機半導体の複合体を用いた抵抗式高感度アセトンセンサの開発2017

    • Author(s)
      杉浦 弘晃、エンシハン、伊東 栄次、小野博信
    • Organizer
      電子情報通信学会2017年総合大会
    • Place of Presentation
      名城大学(愛知県名古屋市)
    • Year and Date
      2017-03-22 – 2017-03-25
  • [Presentation] ナノハイブリッド界面層を持つ有機薄膜デバイスの作製と高性能化2017

    • Author(s)
      伊東 栄次
    • Organizer
      電子情報通信学会2017年総合大会 シンポジウム
    • Place of Presentation
      名城大学(愛知県名古屋市)
    • Year and Date
      2017-03-22 – 2017-03-25
    • Invited
  • [Presentation] カーボンナノチューブ複合電極を有する超高速容量式湿度センサと計測システムの開発2017

    • Author(s)
      伊東 栄次、袁 子はん
    • Organizer
      第64回応用物理学会春季学術講演会
    • Place of Presentation
      パシフィコ横浜(神奈川県横浜市)
    • Year and Date
      2017-03-14 – 2017-03-17
  • [Presentation] ポリマーコートHigh-k酸化膜絶縁層とカーボンナノチューブキャリア注入層を用いた塗布型有機FETの高性能化2016

    • Author(s)
      上野 純平、伊東 栄次
    • Organizer
      平成28年度応用物理学会 北陸・信越支部学術講演会
    • Place of Presentation
      富山県民会館(富山県富山市)
    • Year and Date
      2016-12-10
  • [Presentation] 白金触媒担持アルミナナノロッドと有機半導体の複合体を用いた室温動作する高感度アセトンセンサの開発2016

    • Author(s)
      杉浦 弘晃、エンシハン、伊東 栄次、小野博信
    • Organizer
      平成28年度応用物理学会 北陸・信越支部学術講演会
    • Place of Presentation
      富山県民会館(富山県富山市)
    • Year and Date
      2016-12-10
  • [Presentation] 高誘電率絶縁体/有機半導体のMISダイオード構造を用いたキャリア移動度の解析2016

    • Author(s)
      長生 直哉、伊東 栄次
    • Organizer
      平成28年度応用物理学会 北陸・信越支部学術講演会
    • Place of Presentation
      富山県民会館
    • Year and Date
      2016-12-10
  • [Presentation] 塗布形成カーボンナノチューブを両極性キャリア注入層に用いて印刷形成したp型及びn型有機トランジスタの作製と評価2016

    • Author(s)
      伊東 栄次、金森 暉
    • Organizer
      第77回 応用物理学会秋季学術講演会
    • Place of Presentation
      朱鷺メッセ(新潟県新潟市)
    • Year and Date
      2016-09-13 – 2016-09-16
  • [Presentation] Comparative study of all-printed polyimide humidity sensors with Single- and multi-walled carbon nanotube gas permeable top electrodes2016

    • Author(s)
      Zihan Yuan and Eiji Itoh
    • Organizer
      International Conference on Flexibleand Printed Electronics
    • Place of Presentation
      Yamagata University(山形県米沢市)
    • Year and Date
      2016-09-06 – 2016-09-08
    • Int'l Joint Research

URL: 

Published: 2018-01-16  

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