2016 Fiscal Year Annual Research Report
Gas sensor application of the heterojunction interface in the atomically-thin layered materials
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15K21145
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
田畑 博史 大阪大学, 工学研究科, 助教 (00462705)
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2015-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | ガスセンサー / 原子層薄膜 / ヘテロ接合 / 光起電力 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題では、原子層薄膜同士のvan der Waals(vdW)ヘテロ接合の界面状態が、ガス分子吸着によって受ける影響を界面状態に敏感な電気伝導特性に基づき明らかにすること、そしてこのヘテロ接合界面の変調を利用した新規ガスセンサーの創出を目指した。
本年度は、原子層薄膜であるn型半導体のMoS2とp型半導体のWSe2を酸化膜付きシリコン基板上で積層して作製したMoS2/WSe2ヘテロ接合デバイスを用いて、ガス応答特性の評価を行った。異なるガス雰囲気環境（真空中、乾燥空気中、ＮＯ２（1 ppm）中）において、デバイスの電気伝導特性特性を測定した。バックゲート電圧でMoS2及びWSe2の電子、正孔それぞれのキャリア密度を制御し、双方のキャリア密度の積が最大と成るゲート電圧を印加したときにドレイン電流がピークを示した。このとき、デバイスはpn順方向(WSe2⇒MoS2)に整流性を示し、ヘテロ接合界面にｐｎ接合が形成されていることが確認された。ドレイン電流（再結合電流）のピークが現れる電圧はガス雰囲気に依存し、雰囲気の酸化性が強くなるほど正方向にシフトする傾向が見られた。これは、吸着ガス分子による化学ドーピングの効果で、原子層薄膜のキャリア密度のバランスが変化したためだと考えられる。さらに、このヘテロ接合デバイスに光照射を行うと、ｐｎ接合を形成するゲート電圧印加時に、光起電力が生じることが確認された。そこで、太陽光シミュレータ（AM1.5）の光照射下で、光起電力の大きさを応答量としてガス応答特性を測定した。NO2(1ppm)と乾燥空気を交互に曝露し、開放電圧の時間的変化を測定したところ、NO2の導入・パージにあわせて、開放電圧が減少・増加し、応答を示すことがわかった。この結果から、この原子層薄膜ヘテロ構造が、光起電力型ガスセンサーとして動作することを始めて実証した。
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