2021 Fiscal Year Annual Research Report
固固界面の電気二重層の解析：固体電気二重層デバイスは本当に実現可能か？
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19K05279
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| Research Institution | National Institute for Materials Science |
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Principal Investigator |
土屋 敬志 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点, 主幹研究員 (70756387)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 固体イオニクス / 電気化学 / 薄膜 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
近年、電気二重層デバイスは非常に高い電荷密度によって蓄電用途のみならず様々な電子物性制御への応用が期待されている。その動作原理は、電子材料/電解質界面の電気二重層形成に伴う電子材料への高密度なキャリア注入である。電気二重層デバイスには通常は液体電解質が用いられるものの液漏れや燃焼等の危険があるため、もし液体電解質に代えて固体電解質を利用できれば実用上大変有利である。しかし、液体電解質と異なり内部での電荷補償を生じやすい固体電解質においては液体同様の電気二重層効果の有無が未だよく分かっていない。そこで本研究では固体電解質/電子材料界面における電気二重層効果について、固体電解質における欠陥化学、固体イオニクスの視点を用いて詳細に調査し明らかにすることを目的とする。
昨年度まで、電圧印加で誘起された電気二重層効果によるキャリア注入について詳細な検討を行い、電気二重層効果について(1)強い材料依存性を示すこと、(2)固体電解質界面の極近傍(1nm以内)に生じること、(3)構成元素の酸化還元によって抑制されることなどの、静的挙動について明らかにした。そこで本年度は、電気二重層効果の動的挙動について詳細な検討を行った。昨年度電気二重層形成を確認した固体電解質(Li-Si-Zr-O)薄膜、およびダイヤモンドを用いてトランジスタを作成した。このトランジスタにゲート電極からパルス電圧を印加し、ダイヤモンドを流れるドレイン電流の応答を調査した所、ミリ秒程度で急峻にドレイン電流が変化する様子を観察することができた。これは電気二重層にキャリアが蓄積される挙動をダイヤモンド表面のキャリア密度変化に伴う抵抗変化を通して観察しているのである。試料温度を様々に変化させることによってこの応答はアレニウス型の熱活性化挙動を示し、得られた活性化エネルギーは電解質の伝導度における活性化エネルギーとおおよそ一致した。
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