2021 Fiscal Year Annual Research Report
高性能フレキシブルガスセンサー応用へ向けた酸化銅ナノ構造体の形態制御
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21J14645
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
新田 亮介 東京工業大学, 物質理工学院, 特別研究員(DC2)
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| Project Period (FY) |
2021-04-28 – 2023-03-31
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| Keywords | フレキシブルガスセンサ / 機能性酸化物 / 溶液プロセス / ナノ構造体 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、①溶液成膜法の１種であるスピンスプレー法を用いてのCuOナノ構造体の低温成膜およびその構造制御と②フレキシブル基板上へ成膜したCuOナノ構造体を用いての高性能フレキシブルガスセンサの作製の２点を目指す。
まず①についてであるが、事前調査により前駆体溶液のｐHや添加物によってCuO膜の構造が大きく変化することが判明した。そこで本年度は、前駆体溶液に加える添加剤としてNH3, EDA, クエン酸の３種類を用意し、その大きさや官能基、錯安定度などの観点からCuO結晶成長メカニズムについて詳細に調査した。アミノ基を持つEDAを用いた場合、試料はナノシートアレイ構造となり、一方ヒドロキシ基を持つクエン酸を用いた場合、ナノシートが凝集した緻密膜となった。このような構造の変化は添加剤が持つ官能基の極性が大きく影響しており、極性が大きいヒドロキシ基はCuOナノシートの凝集を促進させ、逆に比較的極性が小さいアミノ基は凝集を阻害することが分かった。以上より、スピンスプレー法を用いて添加剤を調整することでCuO膜のナノスケールでの構造制御が可能であることが示された。また②ついてであるが、スピンスプレー法を用いてフレキシブルPET基板上に様々な形状のCuOナノ構造体を密着性良く堆積させることに成功した。作製したCuOナノ構造体の湿度変化に対する応答性を評価したところ、CuOナノシートが凝集した緻密膜は湿度に対して全く応答しなかった。一方ナノシートアレイ構造を持ったCuO膜は湿度に対して高い感度で応答し、湿度センサとして応用可能であることが判明した。ナノシートアレイ構造は比表面積が大きく、ガスセンサとして高いセンシング能が期待できる。
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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
前述の通り、スピンスプレー法を用いてCuOナノ構造体をフレキシブルPET基板上へ密着性よく成膜することに成功した。また、前駆体溶液に加えた添加剤を変えることでCuO膜の構造が大きく変化することを明らかにした。本年度は、添加物の大きさや官能基、錯安定度などの観点からスピンスプレー法におけるCuO結晶成長メカニズムについて調査を重点的に行ってきた。その結果、添加物が持つ官能基の極性の大きさがCuOの結晶成長に大きく影響を与えることが明らかとなり、３件の学会発表や１件の国際学術論文投稿をすでに行っている。加えて、PET基板上に作製したCuOナノ構造体の湿度応答性を調査したところ、湿度変化に対して高速かつ高感度で応答することが明らかとなった。以上より、本研究は順調に進展しているといえる。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後はPET基板に作製したCuOナノ構造体を用いてフレキシブル湿度センサへの応用を試みる。特に次の２点を軸に研究を進める予定である。
第一に、CuOナノ構造体の湿度応答のメカニズムについて調査する。これまでナノシートが凝集した緻密膜は湿度に対して応答しなかったのに対し、ナノシートが凝集していないアレイ構造は高い湿度応答性を持つことを明らかとなった。今後はこの違いについてCuOナノ構造体の表面分析を行い調査していく。
第二に、様々な形状のCuOナノ構造体を用いてフレキシブル湿度センサの作製を試みる。作製したセンサを感度や応答速度に加え、曲げに対する耐久性や安定性などの観点から、フレキシブル湿度センサとしての性能を評価する。構造を最適化することでCuO膜による高感度かつ高い曲げ耐久性を持つフレキシブル湿度センサの作製を目指す。
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