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2022 Fiscal Year Annual Research Report

新奇オペランド計測による電気二重層トランジスタ内部のサブナノスケール多次元解析

Research Project

Project/Area Number 22J14544
Allocation TypeSingle-year Grants
Research InstitutionKanazawa University

Principal Investigator

五十嵐 陽彦  金沢大学, 新学術創成研究科, 特別研究員(DC2)

Project Period (FY) 2022-04-22 – 2024-03-31
Keywords原子間力顕微鏡 / オペランド計測 / イオン液体 / 電気二重層トランジスタ
Outline of Annual Research Achievements

本研究では、電気二重層トランジスタ(EDLT)の動作環境下におけるEDLT基板/イオン液体(IL)界面を直接観察できる3D-SFMの性能や機能、解析法を大幅に発展させ、EDLT内部のナノ界面構造の3D-SFM計測からEDLTデバイス機能の発現メカニズムの解明に取り組む。
初年度である今年は、以下の課題に取り組んだ。まず、大気雰囲気中の水分の影響を排除するために、真空3D-SFMの開発を行った。しかし、真空ポンプによるノイズが当初の想定よりも大きく、原子・分子分解能計測に不向きであることが分かった。現在は、機械的な振動を極力排除するために、不活性ガス循環生成装置付きグローブボックスと3D-SFMを組み合わせた環境制御型3D-SFMの開発を行っている。その一方で、IL/固体界面の3D-SFM計測において、これまで考慮されてこなかった探針電荷の影響を調査するため、探針電位と基板(電極)電位を同時に制御しながら電気化学3D-SFM(EC-3D-SFM)計測を実施した。これにより、探針電位(電荷)の符号に依存してEC-3D-SFMから得られる3次元力分布が異なることを発見し、その起源を明らかにすることで、EC-3D-SFMを用いたIL/固体界面計測手法の確立に成功した。さらに、確立した計測手法を用いて、4種類のILと金(111)電極界面のEC-3D-SFM計測を実施し、IL種により界面構造が異なることを示唆するデータの取得に成功した。特に、単価のILであるDEME-TFSIにおいては、このILを用いて作製した電気二重層キャパシタのデバイス特性とDEME-TFSI/金電極界面のナノ構造に相関があることを示す結果を得た。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

3D-SFMを用いたIL/固体界面の計測手法の確立には成功しており、この技術を用いて4つのILと金電極界面の構造観察を達成した。うち1つのIL種において、3D-SFMで明らかにした界面構造から電気二重層キャパシタのデバイス特性の発現機構の解明にも成功し、ILを用いた界面デバイスの評価に3D-SFMが有用であることを示した。また、最終目標である電気二重層トランジスタ(EDLT)においては、分子レベルの観察が可能なEDLT基板の作製に苦戦しているが、これは当初より想定されていた苦労である。一方で、当初計画していなかったEDLCのデバイス特性の発現機構の解明はこの分野において重要な発見であり、その点はむしろ予定外の成果が得られている。総合して考えると、おおむね順調に進展していると言える。

Strategy for Future Research Activity

技術開発については、グローブボックスを用いた環境制御型3D-SFMの開発と3D-SFMの計測条件を満たすEDLT基板の作成方法の確立を行う。応用においては、モデル系であるEDLCのデバイス特性のIL依存性を3D-SFM計測による解明を目指す。その後、最終目的であるEDLT基板/IL界面の3D-SFM計測を実施し、EDLTデバイス機能と界面構造の比較を行う。

  • Research Products

    (7 results)

All 2023 2022

All Journal Article (2 results) (of which Peer Reviewed: 2 results) Presentation (5 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results)

  • [Journal Article] Ion-specific nanoscale compaction of cysteine-modified poly(acrylic acid) brushes revealed by 3D scanning force microscopy with frequency modulation detection2022

    • Author(s)
      Yamamoto Akihisa、Ikarashi Takahiko、Fukuma Takeshi、Suzuki Ryo、Nakahata Masaki、Miyata Kazuki、Tanaka Motomu
    • Journal Title

      Nanoscale Advances

      Volume: 4 Pages: 5027~5036

    • DOI

      10.1039/D2NA00350C

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Visualizing Molecular-Scale Adsorption Structures of Anti-freezing Surfactants on Sapphire (0001) Surfaces at Different Concentrations by 3D Scanning Force Microscopy2022

    • Author(s)
      Ikarashi Takahiko、Nakayama Kyosuke、Nakajima Naoki、Miyata Kazuki、Miyazawa Keisuke、Fukuma Takeshi
    • Journal Title

      ACS Applied Materials & Interfaces

      Volume: 14 Pages: 44947~44957

    • DOI

      10.1021/acsami.2c10475

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] イオン液体/金電極界面構造の分子スケール3D-SFM観察とその探針および電極電位依存性2023

    • Author(s)
      五十嵐陽彦
    • Organizer
      第70回応用物理学会春季学術講演会
  • [Presentation] Visualizing Bias-Dependent Changes in Ionic Liquid/Au Interface Structures by 3D Scanning Force Microscopy2022

    • Author(s)
      Takahiko Ikarashi
    • Organizer
      The 23rd International Conference on Non-contact Atomic Force Microscopy (NC-AFM2022)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 3次元走査型力顕微鏡によるサファイア(0001)表面上の不凍界面活性剤の分子スケール吸着構造の可視化2022

    • Author(s)
      五十嵐陽彦
    • Organizer
      第83回応用物理学会秋季学術講演会
  • [Presentation] FM-AFMとMDシミュレーションによるアニオン界面活性剤結晶/水界面構造の分子スケール解析2022

    • Author(s)
      張皓輝
    • Organizer
      第70回応用物理学会春季学術講演会
  • [Presentation] 異なる溶液濃度におけるアニオン性界面活性剤結晶/溶液界面構造の3D-SFM計測2022

    • Author(s)
      熊谷陽一
    • Organizer
      第70回応用物理学会春季学術講演会

URL: 

Published: 2023-12-25  

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