研究課題/領域番号 |
21K04647
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研究種目 |
基盤研究(C)
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配分区分 | 基金 |
応募区分 | 一般 |
審査区分 |
小区分26020:無機材料および物性関連
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研究機関 | 国立研究開発法人物質・材料研究機構 |
研究代表者 |
安達 裕 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 機能性材料研究拠点, 主幹研究員 (30354418)
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研究期間 (年度) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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研究課題ステータス |
交付 (2022年度)
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配分額 *注記 |
4,030千円 (直接経費: 3,100千円、間接経費: 930千円)
2023年度: 650千円 (直接経費: 500千円、間接経費: 150千円)
2022年度: 520千円 (直接経費: 400千円、間接経費: 120千円)
2021年度: 2,860千円 (直接経費: 2,200千円、間接経費: 660千円)
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キーワード | 酸化亜鉛薄膜 / 三酸化タングステン / エピタキシャル成長 / 不純物添加 / ガス選択性 / エタノール / 水素 / アセトン / 三酸化タングステン薄膜 / 半導体ガスセンサ / パルス・レーザー蒸着法 / 酸化亜鉛 / 超薄膜 |
研究開始時の研究の概要 |
小型呼気分析装置への応用に向けて、酸化物半導体ガスセンサのガス選択性の向上が課題となっている。本研究では、コストや感度などの面から、これまで酸化物半導体ガスセンサとしての研究はほとんどなされていなかったエピタキシャル薄膜を用いて、ガス選択性に優れたガスセンサの開発を行う。エピタキシャル薄膜は、膜厚、面内粒子径、表面に露出する結晶面などの制御性がよいため、それら条件を同一にし、組成のみを変えたサンプルを作製することができる。この特徴を利用すれば、ガス選択性向上のためのキー・ファクターを探し出すことが容易になるため、ガス選択性に優れた酸化物半導体ガスセンサの実現が期待できる。
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研究実績の概要 |
本研究では、粉末やナノ構造体の代わりに、エピタキシャル薄膜を酸化物半導体ガスセンサ母体材料として用い、添加不純物の酸性度・塩基性度とガス・センシング特性の関係を明らかにし、多様なガス種に対応できるガス選択性に優れた酸化物半導体ガスセンサを開発することを目的としている。そのため、本研究では、膜厚、面内粒径、基板とのエピタキシャル関係が同じである酸化物薄膜上に、様々な種類の酸化物あるいは金属粒子を蒸着してガスセンサを作製し、その蒸着粒子種とガス・センシング特性の関係を調査することが主な実験となる。 2022年度は、パルス・レーザー・デポジション法でエピタキシャル成長させた酸化亜鉛および三酸化タングステン薄膜上に、MgO、Ta2O5、MoO3やSc2O3などの不純物粒子を蒸着したサンプルを作製し、それらのガス・センシング特性の評価を行った。蒸着した不純物の種類によりエタノールとアセトンに対する応答性が異なり、添加不純物の塩基性度が高くなると、エタノールに対するガス選択性が向上する傾向が見られた。また、Si、あるいはSiOxの添加は、低温でのアセトンに対するガス選択性を向上させる効果があることもわかった。従来は、このアセトンガス選択性の向上は、酸化タングステンの構造変化によるものとされていたが、本研究では酸化タングステン薄膜の構造変化は観察されず、薄膜表面に存在するSi系不純物粒子に起因するものと推察された。これら研究成果は2件の学会発表として、社会に公表された。
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現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
2022年度は、前年度に確立させたエピタキシャル薄膜作製条件を用いて、様々な種類の酸化物あるいは金属粒子を薄膜表面に蒸着したガスセンサを作製し、そのガス・センシング特性測定を行った。それら測定結果を解析した結果、添加不純物の塩基性度が高くなると、エタノールに対するガス選択性が向上する傾向があることがわかった。また、Si、あるいはSiOxの蒸着は、アセトンに対するガス選択性を向上させる効果があることも明らかになった。本研究では、添加不純物の酸性度・塩基性度がセンサ応答と相関があること明らかにすることが目的のひとつであるので、この目的は本年度の研究により達成された。
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今後の研究の推進方策 |
2023年度は、前年度までに得られた結果に基づき、水素、アセトン、エタノールに対してガス選択性を持つ、高感度薄膜ガスセンサの作製を試みる。具体的には、ガス選択性の向上は検知対象ガスに適切な不純物粒子を薄膜ガスセンサ上に蒸着することによって実現し、センサの高感度化は薄膜ガスセンサの膜厚制御によって行う。これらの研究により、クリーンなエネルギー源として期待されている水素に対して優れたガス選択性を持つセンサ材料、糖尿病などの呼気バイオマーカーとして知られているアセトンに対して優れたガス選択性を有するセンサ材料、そしてアルコール検知用に用いられているエタノールに対して優れたガス選択性を持つセンサ材料の開発指針が得られることが期待できる。
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