【研究分野】電子デバイス・電子機器

【研究領域課題番号】17K14662 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

TMDC / FET / 自己組織化 / 先端機能デバイス / マイクロ・ナノデバイス / 表面・界面物性 / ナノ材料

【研究成果の概要】

本研究の目的は2次元有機/無機材料界面の制御による二硫化モリブデン（MoS2）電界効果トランジスタ（FET）の閾値電圧(Vth)調整と正のVth動作を実証する事である。ゲート電極に白金（Pt）金属を用い、酸化アルミニウム（AlOx）表面への自己組織化有機単分子膜（SAM）形成によって界面トラップを抑制し正のVth(0.15V)を実証した。Ptゲート電極はアルミニウム（Al）ゲート電極と比較して正の方向へ約1VのVthシフトを示し、PtとAlの仕事関数差を反映している。

【研究の社会的意義】

2次元半導体材料の二硫化モリブデン（MoS2）は移動度が高く、未結合手が無いため化学的、電気的に安定な材料である事から次世代低消費電力エレクトロニクスに向けたFETのチャネル材料として期待されている。本研究によって素子特性で最も重要な閾値電圧制御をMoS2 FETで確立し、正の閾値電圧を実証できた事は次世代低消費電力エレクトロニクスに向けた大きな一歩となり2次元半導体材料の可能性を示す事ができた考えている。

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2017-04-01 - 2021-03-31

【配分額】4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円)

【研究分野】デバイス関連化学

【研究領域課題番号】15KK0183 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

モノアルキル鎖 / 液晶性有機半導体 / スメクチックE相 / バイレイヤー結晶構造 / モノレイヤー結晶構造 / モノアルキル鎖構造 / 電子・電気材料 / 半導体物性 / 表面・界面物性 / 自己組織化

【研究成果の概要】

液晶性有機半導体の結晶構造変化による高移動度化の要因を探るべく、熱アニールによる結晶構造の変化やそれぞれの電荷輸送特性を調べた。液晶構造由来のモノレイヤー結晶構造からバイレイヤー結晶構造に変化することで、単結晶と同じバイレイヤー結晶構造を基板界面より形成した。さらに有機トランジスタでは適切な電極を利用することで接触抵抗が小さくなり、材料本来の移動度に近い高い移動度を示す有機トランジスタが作製できた。

【研究の社会的意義】

本研究で注目したモノアルキル鎖で高秩序の液晶相を示す有機トランジスタ材料は溶液プロセスでも平坦な結晶薄膜が作製できる。また、120℃5分間といった短時間の熱アニールにより結晶構造を変化させることで高移動度を示す有機トランジスタを作製できる工業的に有用な材料群といえる。本研究では高移動度の要因を検討することで、このような性質を持つ幅広い有機トランジスタ材料が期待でき、社会的・工業的な価値の高い結果といえる。

【研究種目】国際共同研究加速基金(国際共同研究強化)

【研究期間】2016 - 2019

【配分額】12,870千円 (直接経費: 9,900千円、間接経費: 2,970千円)

【研究分野】高分子・繊維材料

【研究領域課題番号】15H03862 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ポリマーブラシ / 自己組織化 / ブロックコポリマー / 水界面 / 高分子構造・物性 / ナノ材料 / 表面・界面物性 / 界面 / QCM / 中性子反射率

【研究成果の概要】

動的ポリマーブラシは、NRでは追跡の困難な短い時間スケールで形成することが予想されるため、時間分解能が高く、高感度の測定が可能なQuartz CrystalResonator (QCR)により、水／ポリマー界面での動的ポリマーブラシ形成を追跡した。水中での水晶発振の複素周波数変化は、動的ポリマーブラシの粘度に敏感であり、低濃度から急激に増加する性質を示すため、動的ポリマーブラシの生成をより高感度に測定できた。その結果、生え変わりの時間は数十秒かそれ以下で起こり、極めて速い修復が行われることが明らかとなった。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2015-04-01 - 2018-03-31

【配分額】17,160千円 (直接経費: 13,200千円、間接経費: 3,960千円)

【研究分野】薄膜・表面界面物性

【研究領域課題番号】23760041 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

走査プローブ顕微鏡 / フォトクロミック分子 / 表面吸着 / 自己組織化 / ジアリールエテン / 光異性化反応 / 表面界面物性 / 単分子デバイス / 光化学反応

【研究成果の概要】

分子スイッチ素子として期待されるジアリールエテンの吸着構造や電子状態、熱安定性や光反応性を調べるため、走査トンネル顕微鏡と非接触原子間力顕微鏡の測定を単分子レベルで行った。まず銅と金基板へ分子を吸着させると熱安定性が失われ、溶液中や単結晶状態とは反対に閉環体のほうが安定となること、原因が金属-分子間の電荷移動による分子のイオン化であることを明らかにした。二つ目に、NaCl絶縁薄膜と分子は化学反応しナトリウムイオンと分子双極子相互作用により自己組織化構造を作ることを発見した。光反応は起こらず探針増強効果等の技術の必要性も示唆された。高解像度AFMによる分子内部構造可視化にも成功した。

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2011 - 2013

【配分額】4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円)

【研究分野】無機工業材料

【研究領域課題番号】23350098 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ナノ材料 / 自己組織化 / 表面・界面物性 / 複合材料・物性 / ナノ粒子

【研究成果の概要】

我々は以前、50nm以下のサイズ領域で粒子径の制御が可能な単分散球状シリカナノ粒子をグラムオーダーで合成する手法を確立した。この粒子はコロイド分散液として得られ、ボトムアッププロセスによる材料開発における優れたナノビルディングユニット(NBU)となり得る。本研究では、単分散球状シリカナノ粒子のさらに簡便な合成法を開発するとともに、粒子の組成、形状、内部構造などを多様化し、種々のNBUを得ることに成功した。さらに、液相中でNBU間に働く相互作用を制御し、NBUを一次元から三次元の各種次元へと自己集合させる方法を確立した。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2011-04-01 - 2014-03-31

【配分額】20,150千円 (直接経費: 15,500千円、間接経費: 4,650千円)

【研究分野】物性Ⅱ

【研究領域課題番号】21224009 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

低温物性 / 超伝導材料・素子 / 表面・界面物性 / 電界効果トランジスタ / 自己組織化 / 電気二重層 / キャパシタ / 金属薄膜 / 半導体 / 層状物質 / イオン液体 / 超伝導

【研究成果の概要】

電気化学的界面に発生する強電界を用いたトランジスタ（電気二重層トランジスタ）について、従来のバルクおよび薄膜材料を用いた方法に加え電子ビーム装置によるナノデバイス作製技術を完成させることによって、半導体、絶縁体、金属、トポロジカル絶縁体、モット絶縁体といった多様な物質に展開した。その結果、超伝導、強磁性、モット転移といったさまざまな電子相の電界制御に成功した。それら電界によって誘起された電子相の多くは化学ドーピングでは実現できないものである。さらには、強電界によるスピン制御や固液界面の柔軟性を生かしたデバイスの実現など、広範な物質科学研究へと展開できることが明らかとなった。

【研究種目】基盤研究(S)

【研究期間】2009-05-11 - 2014-03-31

【配分額】219,050千円 (直接経費: 168,500千円、間接経費: 50,550千円)

【研究分野】物理化学

【研究領域課題番号】21750024 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

表面・界面物性 / コロイド / 非平衡 / 非線形 / 自己組織化 / 自己集積 / ミセル / ゲル / 石鹸

【研究成果の概要】

本研究テーマは、自発的界面張力変動が生じる物質の特定を、本変動現象の解明と共に行うことである。本研究の大きな成果として、(1)飽和ヨウ化カリウム・ヨウ素ニトロベンゼン溶液/カチオン性界面活性剤水溶液系の、クロロベンゼン添加による自発界面変動現象が解明(2)飽和NaClおよびZnCl2ニトロベンゼン溶液/1mMトリメチルステアリルアンモニウムクロリド水溶液系、すなわちヨウ素を使わない系での自発変動の発見の2つがある。
本研究課題を通じてヨウ素系・非ヨウ素系双方の変動機構が解明できた結果、ニトロベンゼンやヨウ素を使用しない、無害な材料を利用して活発な自発界面変動現象を得られる可能性が生まれてきた。すなわち、1)水との界面張力が大きく、2)イオン性界面活性剤の対イオンが界面を移動しにくいような油相を選択すればよいことになる。今後は、そのような油相を系統的に調査するとともに、その結果得られた力学エネルギーを電気エネルギーに変換する系の構築に取り組みたいと考えている。

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2009 - 2011

【配分額】4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)

【研究分野】ナノ材料・ナノバイオサイエンス

【研究領域課題番号】16310077 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

表面・界面物性 / メゾスコピック系 / ナノ材料 / 自己組織化 / フラクタル / フラクタル立体 / 超撥水表面 / 撥油表面 / 電解酸化重合 / ゾル-ゲル法 / ゾル-ゲル反応

【研究成果の概要】

本研究の、平成16年度〜平成18年度における、主な成果は次の通りである。
1.耐久性の超撥水/高撥油性フラクタル表面の開発
自発的にフラクタル表面を形成し、世界一水をはじく表面となるワックス(アルキルケテンダイマー:AKD)の欠点である耐久性を向上させる研究を行った。アルキルピロールの電解酸化重合法により、耐熱性と耐溶剤性の高い、超撥水性のフラクタル表面の開発に成功した。この表面をフッ素系のシランカップリング剤で処理することにより、耐久性の高撥油表面の合成にも成功した。
2.ワックスの自発的フラクタル構造表面形成メカニズムの解明
AKDが自発的にフラクタル表面を形成するメカニズムについて研究した。モデル化合物としてトリグリセリド・ワックスを用いて研究した結果、このワックスが融液から結晶化する過程において、先ず準安定な結晶相であるα-相が出現し、それが安定相であるβ-相に相転移する過程でフラクタル構造の表面が形成されることが明らかになった。AKDについて同様の研究を行った結果、同じメカニズムでフラクタル表面が形成されることが分かった。
3.フラクタル立体の創製
理論的には、体積が無限小で表面積が無限大の、フラクタル立体の創製を行った。その際、フラクタル表面を自発的に形成するワックスである、先述のAKDを利用した。表面がフラクタル構造のAKD微粒子を鋳型としてゲル-ゾル法を行い、内部がフラクタルのシリカの立体を合成した。
4.フラクタル表面の細胞培養基盤への応用フラクタル表面の新しい応用として、細胞培養基盤としての検討を行った。神経細胞の1種であるアストロサイトは、平らな表面上では平たく拡がった形態をとるが、フラクタルAKD表面上で培養すると、分化した形状に似た星型の微小突起のみが現れる。これは新しい細胞培養基盤の開発に繋がり、再生医療への応用も期待される興味深い結果である。
以上の結果を基に、論文15報、学会発表26件、特許出願4件の成果を得た。以上の成果により、本研究の所期の目的を達成することが出来た。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2004 - 2006

【配分額】13,600千円 (直接経費: 13,600千円)