| 研究課題/領域番号 |
25000003
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| 研究機関 | 東京大学 |
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研究代表者 |
岩佐 義宏 東京大学, 大学院工学系研究科, 教授 (20184864)
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| 研究分担者 |
秋光 純 青山学院大学, 理工学部, 教授 (80013522)
渡邊 正義 横浜国立大学, 工学研究院, 教授 (60158657)
塚崎 敦 東北大学, 金属材料研究所, 教授 (50400396)
竹延 大志 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (70343035)
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| 研究期間 (年度) |
2013-04-26 – 2018-03-31
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| キーワード | イオントロニクス / 電気二重層トランジスタ / 電子相制御 / イオン液体・ゲル / 超伝導 / 機能デバイス / 分子線エピタキシー |
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| 研究実績の概要 |
イオントロニクスの進展に向けた物質・物性・機能性の探索を行い、以下の成果を得た。
岩佐は、遷移金属ダイカルコゲナイド(TMD)を対象に選び、そのイオントロニクス機能を探求した。その結果、電気二重層トランジスタ(EDLT)を用いた、電圧でスイッチ可能な円偏光発光光源の開発に成功した。また、その基礎になるスピン偏極したバンド構造を、スピン角度分解光電子分光によって、世界に先駆けて明らかにした。
竹延は、遷移金属ダイカルコゲナイド単層膜およびカーボンナノチューブ薄膜に電解質を組み合わせた各種機能性素子作製を行った。具体的には、CVD法を用いたMoSe2およびWSe2大面積多結晶膜の作製に成功し、これらを用いた光ディテクター・電気2重層トランジスタ・フレキシブルトランジスタの作製に成功した。並行して、機械的剥離法で作製した単結晶薄膜を用いた電気2重層トランジスタにより基礎的な実験も行い、単層・2層・3層の試料における違いを伝導特性の観点から明らかにした。
渡邉は、EDLTの、イオン伝導体層どなるイオン液体(IL)およびイオンゲルに関する研究を推進した。ILの基礎物性に関しては、既に知見が集積されて来ている典型的な非プロトン性イオン液体から、プロトン性イオン液体(PIL)、リチウム溶媒和イオン液体(Li-SIL)に焦点を移行して精査した。またこれらのイオン液体をブロック共重合体を用いてゲル化しイオンゲルを作製する方法を確立し、その構造と物性相間を明らかにした。
秋光はバルク結晶の作製技術、塚崎は薄膜作製技術を活用して、新しい固体材料系のイオントロニクスへの適用を試みている。特に、イオン液体と固体材料界面の電気化学反応を検証して、物性研究への新しい活用手法を探索している。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
1: 当初の計画以上に進展している
理由
本研究2年目にあたる2014年度は、遷移金属ダイカルコゲナイド(TMD)を用いた物理的機能開拓において、大きな進展があった。それは、世界に先駆けたTMD単層材料の特異な電子状態の解明(Nature Nanotechnology (2014))と、それを利用した新規デバイス、具体的には電圧によって制御可能な円偏光発光素子の実現(Science(2014))【岩佐グループ】、今後のCVD法による大面積膜合成とフォトディテクタへ応用(ACS Nano(2014))【竹延グループ】に成功したことがあげられる。本研究では、イオントロニクスの原理に基づき、物質の多様な機能性を実現することを目標の重要な柱に掲げている。上記の成果をまとめると、イオントロニクスの技術によって形成されるPN接合を用い、円偏光発光やその逆過程である光検出を実現したものである。特に印加電圧の符号によって円偏光が反転する発光素子は、電気二重層トランジスタというイオントロニクスの基幹素子を用いて形成される電界誘起PN接合によってはじめて実現したものである。そこには、当初の予想を超えた新たな円偏光発光機能が関与していることが分かっており、その意味で、2014年度は予想以上の発展があったと総括される。渡邊、秋光、塚崎グループも、それぞれイオン液体、固体、薄膜材料で特徴的な成果をあげており、今後のさらなる発展が期待できる。
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| 今後の研究の推進方策 |
岩佐は、イオントロニクスの機能開発を引き続き推進してゆく。2015年度は、前年度の成果である光機能の拡張とともに、熱電機能への展開と、超伝導の基礎物性・物質開発に注力する計画である。熱電機能については、半導体材料の性能最適化に、キャリヤ密度を広範囲に連続的に制御できる電気二重層トランジスタ(EDLT)が非常に有効であるため、これを実証し、熱電材料の開発等に貢献するとともに、イオントロニクスの拡張を図る。一方で、1年目に購入した薄膜作製装置を用いて、カルコゲナイド、酸化物薄膜を用いた超伝導開発、さらには、電界誘起超伝導の特徴的な物性の探索を行う。
秋光は、アルカリ金属化合物に着目した超伝導開発を計画している。Li-Rh-Si系やSiをGeに置換したLi-Ir-Geにおいても同様に3Kの超伝導が発見しており、本系をベースとした更なる超伝導探索を実施していく。そのための物質開発は、古典的イオントロニクスである電気化学を中心に展開し、超伝導特性および結晶構造解明を含めた超伝導研究を精力的に進めていく。
渡邉は、PIL、Li-SILを用いたプロトン、リチウムイオンの挿入による新たな電子物性発現を期待している。岩佐グループは用いる電子伝導体の選択とEDLT特性の評価を、渡邉グループはこれらIL界面の電気二重層容量測定や、界面電気化学反応の検証を担当する。物理と化学の新たな融合領域であるが、反応による電子伝導体の相転移変化が見出されれば研究は新たなステージ、すなわち電気化学反応を包含したより広範なイオントロニクスという概念提示に至ると期待される。
塚崎は、イオン液体を用いた薄膜電気二重層トランジスタ(EDLT)の新しい活用方法を開拓する。これまでの物性研究では、主に静電的な電荷生成手法としてEDLTは活用されてきており、電気化学反応の抑制された条件で研究が行われてきた。本研究では、電気化学反応を積極的に活用することで、超薄膜の物性研究に活用できることを示す。具体的には、超薄膜FeSeの高温超伝導現象の原理解明と二次元伝導性の誘起に適用する。
竹延は、遷移金属ダイカルコゲナイドおよびカーボンナノチューブに関する研究をさらに推進し、イオンを用いたトランジスタや論理回路を作製を柔軟な基板上に液相法を用いて実現する。同時に、新しい機能性素子試作にも力を入れ、熱電素子および発光素子の作製を行う。また、材料の拡張を目指し、有機材料を用いたイオントロニクス実現にも着手する。
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