高純度半導体型単層カーボンナノチューブによる高性能伸縮性トランジスタの開発

2014 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 25600046
• 研究機関: 首都大学東京
• 研究代表者: 柳 和宏 首都大学東京, 理工学研究科, 准教授 (30415757)
• 研究期間 (年度): 2013-04-01 – 2015-03-31
• キーワード: 単層カーボンナノチューブ / 伸縮性デバイス / 電気二重層 / 金属型 / 半導体型

研究実績の概要

本研究は、伸縮性を有する基板上に高純度な半導体型単層カーボンナノチューブ(S-SWCNT)膜を形成し、イオンゲル電気化学トランジスタ構造を用いて、伸縮性高性能エレクトロニクスを実現することを目標に研究を行っている。研究当初において、解決すべき課題として、
課題１：PDMS基盤へのs-SWCNT厚膜転写技術の確立
課題２：電極およびイオンゲル膜の伸縮性テスト
課題３：PDMS基板上での素子形成および伸縮性を含めた特性評価
を掲げていた。早稲田大学　竹延大志教授との共同研究により、これら課題を解決し、結果として、”転写条件の最適化、SWCNT膜厚の最適化、Wavy構造のチャネル形成により、19％の伸縮性の範囲においてON/OFF電流比および移動度において性能劣化のないデバイスが可能である”という結果を得ることに成功し、伸縮性デバイスの作製が十分に可能である知見を得た。
また、この成果に基づいて、本年度は、電極部分において伸縮性を備える金属型単層カーボンナノチューブを用いたall-carbon nanotube デバイスの作製を試みた。ポリイミドフィルム上（厚み50μｍ）に、金属型単層カーボンナノチューブによる電極構造、チャネルには半導体型単層カーボンナノチューブ、絶縁部分にはイオンゲルの構造をインクジェット方式により形成し、イオンゲル電気化学トランジスタ構造を作製した。その結果、ON/OFF電流比として10^3以上、移動度として10 cm^2/Vs以上のトランジスタの作製に成功した。また、世界で最も曲率半径が小さい曲率半径100マイクロメートルにおいても動作可能であることを検証し、世界最高性能の折り曲げ性能を備えるデバイス作製に成功している。以上の成果について、結果を取り纏め、現在、論文を学術誌に投稿中である。

研究成果

• [雑誌論文] Resonance enhancement of first- and second-order coherent phonons in metallic single-walled carbon nanotubes (2014)
  • 著者名/発表者名: K. Sato, K. Tahara, Y. Minami, I. Katayama, M. Kitajima, H. Kawai, K. Yanagi, J. Takeda
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 90 ページ: 235435
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.90.235435
  • 査読あり
• [雑誌論文] Multifrequency Raman spectroscopy on bulk (11,10) chirality enriched semiconducting single-walled carbon nanotubes (2014)
  • 著者名/発表者名: C. Kramberger, M. Kharlamova, K. Yanagi
  • 雑誌名: Phys. Stat. Sol. B 巻: 251 ページ: 2432-2436
  • DOI: 10.1002/pssb.201451182
  • 査読あり
• [雑誌論文] Tuning of the Thermoelectric Properties of One-Dimensional Material Networks by Electric Double Layer Techniques using Ionic liquids (2014)
  • 著者名/発表者名: K. Yanagi, S. Kanda, Y. Oshima, Y. Kitamura, H. Kawai, T. Yamamoto, T. Takenobu, Y. Nakai, Y. Maniwa
  • 雑誌名: Nano Lett. 巻: 14 ページ: 6437-6442
  • DOI: 10.1021/nl502982f
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Haldane State Formed by Oxygen Molecules Encapsulated in Single-Walled Carbon Nanotubes (2014)
  • 著者名/発表者名: M. Hagiwara, M. Ikeda, T. Kida, K. Matsuda, S. Tadera, H. Kyakuno, K. Yanagi, Y. Maniwa, K. Okunishi
  • 雑誌名: J. Phys. Soc. Jpn. 巻: 83 ページ: 113706
  • DOI: 10.7566/JPSJ.83.113706
  • 査読あり
• [雑誌論文] Self-formation of highly aligned metallic, semiconducting and single chiral single-walled carbon nanotubes assemblies via a crystal template method (2014)
  • 著者名/発表者名: H. Kawai, K. Hasegawa, A. Oyane, Y. Naito, K. Yanagi
  • 雑誌名: Appl. Phys. Lett. 巻: 105 ページ: 093102
  • DOI: 10.1063/1.4895103
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Purification, separation and extraction of inner tubes from double-walled carbon nanotubes by tailoring density gradient ultracentrifugation using optical probes (2014)
  • 著者名/発表者名: P. Rohringer, L. Shi, X. Liu, K. Yanagi, T. Pichler
  • 雑誌名: Carbon 巻: 74 ページ: 282-290
  • DOI: 10.1016/j.carbon.2014.03.033
  • 査読あり
• [雑誌論文] Continuous band-filling control and one-dimensional transport in metallic and semiconducting carbon nanotube tangled films (2014)
  • 著者名/発表者名: H. Shimotani, S. Tsuda, H. Yuan, Y. Yomogida, R. Moriya, T. Takenobu, K. Yanagi, Y. Iwasa
  • 雑誌名: Advanced Functional Materials 巻: 24 ページ: 3305-3311
  • DOI: 10.1002/adfm.201303566
  • 査読あり
• [雑誌論文] Chirality fingerprinting and geometrical determination of single-walled carbon nanotubes: Analysis of fine structure of X-ray diffraction pattern (2014)
  • 著者名/発表者名: R. Mitsuyama, S. Tadera, H. Kyakuno, R. Suzuki, H. Ishii, Y. Nakai, Y. Miyata, K. Yanagi, H. Kataura, Y. Maniwa
  • 雑誌名: Carbon 巻: 75 ページ: 299-306
  • DOI: 10.1016/j.carbon.2014.04.006
  • 査読あり
• [雑誌論文] Giant Seebeck coefficient in semiconducting single-wall carbon nanotube film (2014)
  • 著者名/発表者名: Y. Nakai, K. Honda, K. Yanagi, H. Kataura, T. Kato, T. Yamamoto, Y. Maniwa
  • 雑誌名: Appl. Phys. Express 巻: 7 ページ: 025103
  • DOI: 10.7567/APEX.7.025103
  • 査読あり
• [雑誌論文] Revealing the Adsorption Mechanisms of Nitrooxides on Ultrapure, Metallicity-Sorted Carbon Nanotubes (2014)
  • 著者名/発表者名: G. Ruiz-Soria, A. Paz, M. Sauer, D. Mowbray, P. Lacovig, M. Dalmiglio, S. Lizzit, K. Yanagi, A. Rubio, A. Goldoni, P. Ayala, T. Pichler
  • 雑誌名: ACS Nano 巻: 8 ページ: 1375-1383
  • DOI: 10.1021/nn405114z
  • 査読あり
• [学会発表] 単層カーボンナノチューブの物性制御の研究 (2015)
  • 著者名/発表者名: 柳和宏
  • 学会等名: 日本物理学会
  • 発表場所: 早稲田大学
  • 年月日: 2015-03-21 – 2015-03-21
  • 招待講演
• [学会発表] Fabrication of Thermoelectric Devices using Precisely Fermi Level Tuned Single Wall Carbon Nanotubes by Electric Double Layer Carrier Injections (2015)
  • 著者名/発表者名: Yuki Oshima, Yoshimasa Kitamura, Hideki Kawai, Kazuhiro Yanagi
  • 学会等名: IWEPNM 2015
  • 発表場所: Kirchberg, Autria
  • 年月日: 2015-03-12 – 2015-03-12
• [学会発表] Printed SWCNT Thin-Film CMOS Inverters Based On Ion-Gel Chemical Doping (2014)
  • 著者名/発表者名: Y. Wada, R. Inukai, T. Fujimoto, H. Hamahata, S. Matsuzaki, K. Yanagi, T. Takenobu
  • 学会等名: MNC2014
  • 発表場所: Hilton Fukuoka, Fukuoka
  • 年月日: 2014-11-07 – 2014-11-07
• [学会発表] “Laminated” Ion-Gel Film as High Capacitance Insulator for Carbon Nanotube Transistor (2014)
  • 著者名/発表者名: T. Fujimoto, R. Shimizu, Y. Takagi, Y. Wada, K. Yanagi, T. Takenobu
  • 学会等名: MNC2014
  • 発表場所: Hilton Fukuoka, Fukuoka
  • 年月日: 2014-11-07 – 2014-11-07
• [学会発表] Tuning of Thermoelectric Properties of Semiconducting Single Wall Carbon Nanotube Networks by Electric Double Layer Techniques Using Ionic Liquid (2014)
  • 著者名/発表者名: K. Yanagi, S. Kanda, Y. Oshima, Y. Kitamura, H. Kawai, Y. Nakai and Y. Maniwa,
  • 学会等名: MNC2014
  • 発表場所: Hilton Fukuoka, Fukuoka
  • 年月日: 2014-11-07 – 2014-11-07
• [図書] カーボンナノチューブ応用最前線 (2014)
  • 著者名/発表者名: 柳和宏（分担執筆）
  • 総ページ数: 414 (325-331)
  • 出版者: シーエムシー出版
• [図書] Carbon Nanotube and Graphene (2014)
  • 著者名/発表者名: K. Yanagi (Ed. K. Tanaka, S. Iijima) （分担執筆）
  • 総ページ数: 458 (19-38)
  • 出版者: Elsevier
• [産業財産権] 半導体素子の製造方法、半導体素子の製造デバイス、半導体素子、及び該半導体素子を用いてなる熱電変換素子 (2014)
  • 発明者名: 柳和宏、真庭豊、中井祐介、河合英輝
  • 権利者名: 柳和宏、真庭豊、中井祐介、河合英輝
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 2014-135553
  • 出願年月日: 2014-07-01