2020 Fiscal Year Annual Research Report
固体電解質を用いた全固体電気二重層トランジスタにおけるキャリア注入機構の解明
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19J22244
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| Research Institution | Tokyo University of Science |
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Principal Investigator |
高柳 真 東京理科大学, 理学研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2019-04-25 – 2022-03-31
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| Keywords | 電気二重層 / 固体電解質 / 固固界面 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
固体電解質内のイオン濃度変調によって固体電解質/電極界面で生じる電気二重層(EDL)効果は、全固体電池やキャパシタ等のイオニクスデバイスの動作性能への影響が示唆されるものの、直接的に観察するのは容易でない。本研究では、化学的に不活性なダイヤモンドとリチウム電解質の界面を有するトランジスタを利用し、EDLが誘起する電荷をホール測定で定量評価出来ることを前年度に確認した。また、Li-La-Ti-OのようなTiを含む固体電解質を使用した場合、内部での中性化によってEDL効果が抑制されることが分かった。そこで今年度は全固体電池の正極コート層として知られるLiNbO3 (LN)を中間層とするEDLトランジスタ(EDLT)を作製し、EDL変調の静的・動的挙動を調査した。図1にLN中間層を挿入したEDLT(LN-EDLT)の模式図を示す。LN中間層の厚さを1Åから5 nmに変化させることで、中間層が固体/固体界面で生じるEDL効果に与える影響を調べた。
Li-La-Ti-Oとは異なり、LNにはEDL抑制効果はなく、のEDL効果によるキャリア密度変調が確認された。LN挿入によるEDLTで使用している電解質全体のイオン伝導度への影響はほとんどないにも関わらず、5 nm のLNを挿入したLN-EDLTでは中間層を用いないEDLTに比べて1桁以上応答速度の高速化が確認された。この高速化はLNを5 nmから3 Åまで薄膜化しても維持される一方、1 Åでは完全に消失した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
固固界面での電気二重層効果の有無は、使用する固体電解質に依存することを実験的に検証できた。また、その際に発現する電気二重層容量も材料に強く左右されることが分かった。LN中間層挿入による応答速度の高速化はLN界面のCがLi-Si-Zr-O(LSZO)固体電解質界面よりも１桁以上小さいことに起因すると考えられる。実は、ホール測定で得られるLSZO界面、LN界面のCは大差がなく一見矛盾するが、これはCの電圧依存性と関係する。ホール測定ではLi+欠損側のCを得ているのに対し、パルス応答では主によりLi+リッチ側のCを反映するため、両界面のCの違いはLi+リッチ側でのみ顕著であると考えられる。ホール測定を適用できるのはダイヤモンドの抵抗が比較的低いLi+欠損側のみでありダイヤモンドが絶縁体化するLi+リッチ側のCを測定出来ない欠点があったが、パルス応答を併用することでホール測定の適用範囲外のCまで評価できる可能性が示唆された。
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度に引き続き、Redoxが起きやすい元素を含んだ固体電解質を利用し、固固界面での電気二重層効果の有無を検証する。また、ホール測定とパルス応答測定を組み合わせ、より広範囲の電気二重層容量の測定を行う。
この界面の特性が大きく影響を与えるものの1つに全固体リチウム電池がある。固体電解質としては、その伝導度の高さから硫化物系の電解質がよく検討されているため、本研究でも酸化物系のみに留まらず硫化物系固体電解質についても検証を行う。
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