2014 Fiscal Year Annual Research Report
半導体ナノ結晶のpn接合による高度ガス認識界面の創出
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26288107
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| Research Institution | Kumamoto University |
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Principal Investigator |
木田 徹也 熊本大学, 自然科学研究科, 教授 (70363421)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
石渡 洋一 佐賀大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (00373267)
キタイン アルマンド 熊本大学, 自然科学研究科, 助教 (50504693)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | ナノ粒子 / 量子ドット / ガスセンサ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
酸化物半導体を用いたガスセンサは日本生まれの重要技術であり、ガス漏れ検知や空気環境のモニタリング、プロセスコントロール等に幅広く利用されている。さらに現在では、微量でも環境や人体に影響を与えるガスを高精度かつ簡易・簡便に検知することが強く求められている。
これまでに、基本単位となる酸化物半導体粒子のサイズと形態をコントロールすることでセンシング膜の微細構造を制御すれば、大きな特性改善が可能なことを見出している。本研究では、ナノ粒子（ナノ結晶）を用いたガスセンサの作製・評価・解析技術をベースにして、半導体ナノ結晶を用いたpn接合ダイオードを基礎とする新しいガスセンサについて検討した。
ダイオードを形成するためにまず、n型半導体としてZnO、p型半導体としてCu2Oを選択し、両者のナノ結晶合成を行った。ZnOについては、酸素源としての有機ジオール共存下、亜鉛のアセチルアセトン錯体を高沸点有機溶媒（例えばベンジルエーテルやオレイルアミン）中で加熱すれば合成できることがわかった。一方、Cu2Oについても同様の手法で合成可能であることを見出した。いずれの粒子も粒径10 nm以下のナノ結晶であることをXRD、DLS、TEM測定により確認した。センサとしての基本特性を測定したところ、それぞれの材料は水素やアルコールに応答し、ppmレベルの濃度を検知できることがわかった。また、ZnOとCu2Oはそれぞれn型そしてp型の半導体特性を示し、ナノサイズ化してもキャリア種が変わることはなかった。これらのナノ結晶をITO基盤に積層し、pn接合素子を作製したところ、電流電圧特性に整流性が現れ、比較的ポーラスな膜ながらダイオード的な挙動を示すことを確認した。現在、そのセンサ特性の詳細について検討を進めている。
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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
計画どおりにZnOとCu2Oナノ結晶の再現性の高い合成方法を見出しており、それぞれが200－300℃の定温域でもガスセンサとして機能することを確認している。また、それらを積層させたダイオード型デバイスの作製にも成功している。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後の基本方針としては、作製したpn接合型センサのガス検知特性を詳細に調べるとともに、その応答メカニズムを明らかにすることを第一とする。さらに代表的p型酸化物のNiO、CoO、Cr2O3ナノ結晶を合成し、それらに高価数のカチオンをドーピングすることにより、新しいp型センサ材料を開発する。これをn型のZnOと組み合わせることでダイオード型センサを作製し、ここで提案する新しいタイプのガスセンサの有効性を示す。
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