Flexible Visible Photodonductive Sensor with Ag2S Thin Film and Metal Nanoparticles by Wet Process

2021 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 19K04524
• Research Institution: Tokyo Metropolitan Industrial Technology Research Institute
• Principal Investigator: 海老澤 瑞枝 地方独立行政法人東京都立産業技術研究センター, 開発本部マテリアル応用技術部材料技術グループ, 上席研究員 (00510893)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: 光導電 / フレキシブルセンサ / 硫化銀 / 金属ナノ粒子

Outline of Annual Research Achievements

本研究では，一般的に室温付近での成膜が困難とされる無機材料を湿式で薄膜化し，フレキシブルな光電デバイスの開発につなげることを目的としている．センサ材料として，硫化銀薄膜の光導電性を調査した．
本研究で実施した硫化銀薄膜の成膜は，銀の成膜と硫化処理の2つの工程から成る．銀の成膜は真空蒸着および銀鏡塗装，硫化処理は加熱硫黄雰囲気中での暴露および硫化カリウム水溶液への浸漬とそれぞれ乾式と湿式の方法を行った．いずれも一般的なPETフィルムの耐熱温度である100℃以下のプロセスで硫化銀薄膜を成膜できた．方法によって成膜時間やはがれやすさなどプロセス上の違いはあるものの，硫化銀薄膜そのもののラフネスや光導電性に大きな差異はなかった．
上記の実験的な知見から最適条件に関する考察とメカニズムの解明を行った．これまでの実験から銀の成膜方法および硫化方法によらず銀が完全に硫化することで総膜厚が150-200%となることと，理論計算によれば膜厚100nm以上では可視光に対する薄膜の伝導度が急激に低下することから，銀薄膜の目標膜厚を約70nmを最適値として設定した．
硫化銀膜を光学モデルで表し，分光エリプソメータで硫化過程において逐次膜解析を行った．硫化は表面から進み，基板に近い部分では最後まで銀が残存する．解析パラメータとした銀の体積比率から，銀が10%程度残る条件では可視光の照射によって101nAオーダの光電流が発生したが，銀が残らなくなるまで硫化が進むと光導電性は検出できなかった．このときの銀が残る膜厚は約20nm以下であり，銀はナノ粒子化していると考えられる．
以上より，硫化銀薄膜そのものが可視光に対して光導電性を示すのではなく，銀ナノ粒子の存在が必須と考えられる．このことは，硫化銀薄膜上に銀ナノ粒子を担持して光電流が得られる実験結果によっても支持される．