2016 Fiscal Year Annual Research Report
Development of highly sensitive gas sensing interfaces based on semiconductor nanocrystal pn junction
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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, その他の研究科, 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, その他の研究科, 助教 (50504693)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | ガスセンサ / 半導体ナノ結晶 / pn接合 |
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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。
前年度までにn型半導体としてZnOナノ結晶、p型半導体としてCu2Oナノ結晶の合成技術を確立するとともに、pn接合膜の作製について検討してきた。ジオールを酸素源として用いて銅錯体をオレイルアミン中で加熱することで、粒径分布の狭いCu2Oナノ結晶が得られることがわかった。さらに室温で空気酸化させることにより、CuOナノ結晶への変換できることも見出した。これをZnOナノ結晶と組み合わせることで整流性を示すpn接合膜を構築したが、逆バイアスでは漏れ電流が観測された。そこで、ZnOナノ結晶をシード層として、ITO基板上に水熱法によってZnOナノロッドを成膜し、Cu2Oナノ結晶を積層することで接合面積の大きなpn接合膜の作製を試みた。得られた膜は明瞭な整流特性を示し、漏れ電流が大きく低減された。さらに、この膜を用いて硫化水素の検知を試みたところ、ZnO単独では検出できなかった150℃という低温でも硫化水素を検知することに成功した。
さらにp型半導体としてPbSナノ結晶を合成し、ZnOナノロッド膜に積層させ、その整流特性を調べたところ、このデバイスでも良好な整流性を示し、また良好な光電気化学特性が得られた。現在、このデバイスについても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ナノ結晶を積層させたダイオード型デバイスが良好なガス検知特性を示すことを見出しており、他のp型半導体ナノ結晶とZnOナノロッドを組み合わせた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とその応答メカニズムを明らかにする。さらに新しくp型材料として硫化物系のナノ結晶を使用する。それらナノ結晶の再現性の高い合成方法を見出し、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、そのセンサ特性を詳細に検討する。
さらにZnOナノロッドと各種p型半導体ナノ結晶との組み合わせによるダイオード型センサ素子の作製とその基本的なガス検知特性の調査を行い、応答メカニズムについて検討する。特に可燃性ガスに対する応答について詳細に検討し、さらに光照射時の可燃性ガスに対する電流-電圧曲線の変化について調べ、光作動型ダイオードセンサの可能性を明らかにする。
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