2020 Fiscal Year Research-status Report
IV族クラスレートの内包Naの制御および電子、光物性評価
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20K03820
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| Research Institution | Gifu University |
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Principal Investigator |
大橋 史隆 岐阜大学, 工学部, 准教授 (20613087)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 半導体 / クラスレート / ナトリウム / 薄膜 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
IV族系II型クラスレートは、原子のかご構造をもつ結晶であり、かご中にはNa原子などを内包する。内包原子を取り除いたIV族系クラスレートは半導体であり、太陽電池等の新規光デバイス用材料として期待できる。従来は粉末状もしくは小さな単結晶での合成のみ報告されてきたが、近年我々のグループで薄膜化に成功した。これまで、 Na内包IV族系クラスレートのNa量制御（Na低減）は、真空下における 数日間の熱処理により行ってきた。半導体への応用の観点からは、より簡便にNaを減らす技術の開発が必要である。
本年度は、比較的均一かつ広範囲に膜状合成可能なII型Geクラスレートに注目し、薄膜状合成条件の最適化を行うとともに、従来の方法に加えて、電界印加等による内包Na量の制御を試みた。また、作製した膜状試料において、X線回折パターンのリートベルト解析、光透過率測定およびホール効果測定を行うことにより、キャリアタイプ、キャリア濃度などの評価を行った。
従来の方法で作製したNa内包II型Geクラスレート膜は、クラックが発生するなど、連続膜とはいいがたい状態であった。本年度は、加熱条件等を変更することにより、クラックのない膜状合成に成功した。また光透過率測定から、クラックの影響が確認できない光吸収スペクトルを得た。作製した試料において、真空熱処理および電界印加による内包Na量の制御を試みた。電界印加では、明確なNa内包量の低減は確認できなかった。これは、電界印加前の内包Na量が既に小さいことが影響した可能性がある。今後、実験方法を見直し詳細を明らかにする。内包Na量を減少させたII型Geクラスレート膜の評価では、内包Naの違いによるフリーキャリア吸収の低下、キャリア濃度の低下を確認した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
電界印加によるNa内包量の制御では、明確な結果は得られなかったが、合成条件の最適化により均一なII型Geクラスレート膜の合成を可能にし、今後それらの試料において多様な条件で評価することにより、より明確な結果が明らかになると考えられる。さらにはII型SiGeクラスレート膜の合成も確認した。また、得られた試料において、X線回折およびエネルギー分散型X線分析を行い、膜の面内および膜厚方向における組成分析を行った。これらの結果から、膜中に含まれるNa量は比較的均一であるが、II型SiGeクラスレート膜については、作製方法により膜厚方向にSi/Ge比に偏りがあることが分かった。
II型Geクラスレート膜については、Ag電極を形成し、オーミック接合を形成することを確認した。II型Siクラスレート膜については、Al、Ag、Auなどの電極を形成したが、すべてにおいてショットキー接合を確認した。これは、ダイヤモンド構造のSi同様に膜表面の欠陥等が影響し、ショットキー接合を作りやすい状況であったためと考えられる。
オーミック接合が得られたII型Geクラスレート膜において、ホール効果測定を行うとともに、光透過率測定を行い、内包Na量に依存して、抵抗率、キャリア濃度、フリーキャリア吸収の強度が変化することを確認した。
以上の内容をもとに、学術論文4報掲載され、学会発表を4件行った。これらの結果から、一部詳細な検討が必要な項目はあるが、その他はおおむね順調もしくは予定よりも早く進んでいることから、全体としておおむね順調に進展していると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
電界印加によるNa内包量の制御については、より明確な電界の影響を評価するために、電界の印加方法の変更を検討する。具体的には直流から交流への変更および、膜厚方向から膜の面内方向への電界印加を試みる。これらの試料において、より詳細に原子組成分布評価を行う。
II型Siクラスレート膜については、オーミック接合が得られなかったため、欠陥密度の評価や表面状態の評価に注力する。また、合成後の熱処理による、欠陥密度の低減などを試みる。
電子物性評価は、引き続きホール効果測定や光透過率測定を多様な組成比を持つII型IV族クラスレート膜について行い、それらの組成や膜質の電気伝導やバンド構造への影響を明らかにする。そして、内包Na量を極限まで低減したIV族クラスレートの物性を明らかにする。
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| Causes of Carryover |
本年度は新型コロナウイルスによるパンデミックが発生し、大学での研究活動、出張、学会活動などに大きな制限があった。それに伴い予算の消化見通しが困難になり、当初の予算の見込みよりも消費が少なくなってしまった。
次年度は、現在の状況を見直し、より的確に消耗品等の購入を進めることにより、計画通り予算を執行する。
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