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特集:透明電子活性材料-基礎研究から応用を探る
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透明電子活性材料-意義と現状
Transparent Electro active Materials -Significance and Current Status
--------------------------------------------------------------------------------
細野秀雄(東京工業大学 フロンティア創造共同研究センター 教授)
筆者の研究グループは,「ありふれた透明な酸化物を使って,独自の視点と工夫で,電子
が主役となる新しい機能性の発現をねらう」という基礎的な探索研究を「透明電子活性」
という主題のもとに展開している。この章では,本特集のイントロダクトリーとして,「
透明電子活性」の背景と意義,および今後の応用の芽となることが期待できるこれまでの
研究成果の概略を紹介する。
【目次】
1. 背景と意義
2. われわれのアプローチ
3. 透明導電性酸化物から開けた新しいフロンティア:透明酸化物半導体
4. 12CaO・7AL2O3のナノ構造と活性アニオンを活用した機能開拓
5. これからの課題に
--------------------------------------------------------------------------------
透明酸化物半導体:透明導電性酸化物から開けた新しいフロンティア
Transparent Oxide Semiconductor :New Frontier of Material Science
--------------------------------------------------------------------------------
神谷利夫(東京工業大学 応用セラミックス研究所 助教授)
透明酸化物半導体は,近年注目を集めてきた新しい半導体材料である。本稿では,酸化物
特有の電子構造,キャリア輸送特性から始めて,新材料を開拓するための設計指針につい
て述べる。また,酸化物半導体が従来の共有結合性半導体と大きく異なる特徴は,その構
造と機能の多様性にある。後半では,酸化物結晶がもつ特異な自然ナノ構造に着目し,自
然ナノ構造に由来する物性と応用について紹介する。
【目次】
1. 透明酸化物半導体の材料設計とは何か?
2. 半導体材料の開発設計:TCOからTOSへ
3. 酸化物の電子構造:共有結合性半導体との違い
4. 伝導性設計I:キャリア移動度(有効質量)
4.1 n型TOSの電子構造
4.2 アモルファス酸化物の優れた電子輸送特性
4.3 p型とTOSの材料設計
5. 伝導性設計II:キャリアドーピング
6. 伝導性設計III:キャリアを生成させない工夫
7. 自然ナノ構造をもつ酸化物の電子構造とメゾスコピック現象
7.1 ホモロガスシリーズ層状酸化物に量子構造はみられるか?
7.2 層状オキシカルコゲナイドにみられる2次元電子構造
7.3 ナノ構造を利用した新しいドーピング法
7.4 ワイドキャップ物質内のナノ空間が作る反応容器
7.5 C12A7e-に内包される結合量子ドット
--------------------------------------------------------------------------------
透明酸化物半導体の高品質薄膜成長
High quality Epitaxial Films Growth of Transparent Oxide Semiconductors
--------------------------------------------------------------------------------
太田裕道(名古屋大学 大学院工学研究科 助教授)
高品質透明酸化物半導体の薄膜成長に適した3 種類のエピタキシャル成長技術,「高温パ
ルスレーザー蒸着法」「固相エピタキシャル成長法」「反応性固相エピタキシャル成長法
」および,材料によりそれらの成長技術を使い分けるポイントを述べた。
【目次】
1. はじめに
2. 高温パルスレーザー蒸着法
3. 固相エピタキシャル成長法
4. 反応性固相エピタキシャル成長法
5. おわりに
--------------------------------------------------------------------------------
透明酸化物半導体を用いた透明電子デバイス
Transparent Electronic Device using Transparent Oxide Semiconductor
--------------------------------------------------------------------------------
野村研二((独)科学技術振興機構 ERATO SORST 透明電子活性プロジェクト 研究員)
n型透明酸化物半導体(TOS)であるホモロガス化合物InGaO3(ZnO)mを基材とし,透明電
界効果型薄膜トランジスタ(透明TFT)を作製した。単結晶薄膜を用いたTFTは,ポリシリ
コンTFTに匹敵する特性を示した。一方,アモルファス膜を用いたTFTは低温プロセスでの
製作が可能で,アモルファスシリコンTFT を凌駕する特性を示した。TOSは,透明エレク
トロニクスおよびフレキシブルエレクトロニクスに有用な材料である。
【目次】
1. はじめに
2. 透明トランジスタとフレキシブルトランジスタ
3. 層状InG8O3(ZnO)5単結晶薄膜
4. キャリア輸送特性と電子構造
5. 高性能単結晶透明トランジスタ
6. フレキシブルアモルファス透明トランジスタ
7. おわりに
--------------------------------------------------------------------------------
透明p型半導体:層状オキシカルコゲナイド2次元構造に起因したユニークな光・電子物性
Transparent p-type Semiconductors :Layered Oxychalcogenides Unique Optoelectronic Properties Originating from the Two-dimensional Structure
--------------------------------------------------------------------------------
平松秀典((独)科学技術振興機構 ERATO-SORST 研究員)
上岡隼人((独)科学技術振興機構 ERATO-SORST 研究員)
狭バンドギャップカルコゲナイド層と広バンドギャップ希土類酸化物層の積層構造を有す
るLn CuO Ch は,自然の多重量子井戸構造とみなすことができる。この結果生じる2次元
電子状態に特徴的な,室温励起子,階段状光吸収スペクトル構造,大きな非線形光学効果
,p型縮退電気伝導などについて概説する。
【目次】
1. はじめに
2. 層状オキシカルコゲナイドのエピタキシャル成長
3. 光物性
3.1 室温で安定な励起子と2次元的な電子構造
3.2 光学非線形性および励起子間相互作用
4. 電子物性
4.1 正孔輸送特性
4.2 透明p型縮退伝導
5. おわりに
--------------------------------------------------------------------------------
ナノポーラス結晶C12A7:雰囲気制御による活性アニオンの包接と機能性発現
Nanoporous Crystal C12A7 :Incorporation of Active Anions and Functional Design by Control of Atmosphere
--------------------------------------------------------------------------------
林克郎(東京工業大学 フロンティア創造共同研究センター 助手)
典型軽金属元素のみの酸化物である12CaO ・7Al2O3(C12A7)において,ナノポーラス構造
とそのケージ構造中に包接される陰イオンを利用することによって,従来にない機能性を
もたせることが可能になった。雰囲気処理によって,活性酸素O-や水素化物イオンH-な
ど,通常の酸化物結晶中では安定には存在しにくい活性イオン種が,C12A7中では大量にか
つ安定に存在することができる。これらの陰イオン種の挙動と,それに伴う機能性につい
て概説する。
【目次】
1. はじめに
2. 活性種としての酸素イオン,O2-
3. 活性酸素O-,O2-の包接と気相中へのO-生成
4. 水素化物イオンH-の包接と紫外線誘起電子伝導性
5. おわりに
--------------------------------------------------------------------------------
室温で安定なエレクトライド:合成と物性
Room Temperature Stable Electrode :Synthesis and Properties
--------------------------------------------------------------------------------
細野秀雄(東京工業大学 フロンティア創造共同研究センター 教授)
松石聡(東京工業大学 フロンティア創造共同研究センター 博士研究員)
イオン結晶はカチオンとアニオンが静電引力で結合することで構成されている。1983年,
Dye博士はクラウンエーテル溶液に金属セシウムを溶解させ溶媒を蒸発させることで,紫
色の結晶を得た。この結晶中ではセシウムイオンがエーテル分子と錯体を形成し,電子が
アニオンとして働くことで格子を作っていた。このようなエレクトライドは,これまで合
成されてきたものはすべて低温下,不活性雰囲気中でのみしか安定でなかったため,材料
化はもちろんのこと物性研究も十分ではなかった。われわれは,これまでとはまったく異
なるアプローチで室温・空気中で安定なエレクトライドを初めて合成することに成功した。
この章では,その合成法と得られた試料の物性について紹介する。
【目次】
1. エレクトライドとは
2. これまでのアプローチ
3. われわれのアプローチ
4. エレクトライドの合成は成功したのか;物性からの確認
5. エレクトライドの電子状態
6. 冷電子放出特性
7. これからの展開
--------------------------------------------------------------------------------
非平衡プロセスによるC12A7エレクトライド薄膜の作製
Synthesis of C12A7 Electride Thin Film by Non-equilibrium Process
--------------------------------------------------------------------------------
宮川仁(東京工業大学 フロンティア創造共同研究センター 研究員)
高温アルゴンイオン打ち込みにより,C12A7結晶および薄膜中に電子およびH-イオンを包
接することができる。ケージ中の自由酸素イオンが,アルゴンイオンにより選択的に弾き
出され,電子がケージに残された結果である。また,C12A7中に含まれるOH-イオンがH+
イオンの前駆体として機能し,H+と電子が結合してH-イオンが形成される。
【目次】
1. はじめに
2. C12A7へのアルゴンイオン注入
3. H-イオンおよび電子生成のメカニズム
4. おわりに
--------------------------------------------------------------------------------
C12A7 エレクトライドの大量合成法
Synthesis Method of Mass Product for C12A7 Electride
--------------------------------------------------------------------------------
金聖雄(東京工業大学 フロンティア創造共同研究センター)
C12A7粉末をカーボンるつぼ中で融解固化させる,あるいは還元ガラスを真空中で結晶化さ
せるプロセスで,C12A7エレクトライドを直接的に合成できた。簡単で,大量生産に適した
本合成法は,C12A7エレクトライドの応用展開を大きく促進するものと期待される。
【目次】
1. はじめに
2. 融資状態からの電気伝導性
2.1 融解-凝固による伝導性C12A7の合成
2.2 ガラスの結晶化による伝導性C12A7の合成
2.3 融液から直接的に合成した伝導性C12A7の評価
3. 融液からのC12A7エレクトライド合成のメカニズム
4. おわりに
--------------------------------------------------------------------------------
Material Report R&D
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ゼラチン繊維化技術の開発
--------------------------------------------------------------------------------
戸倉清一(関西大学 工学部 教養化学教室HRC)
田村裕(関西大学 工学部 教養化学教室HRC)
【目次】
1. はじめに
2. ゼラチンの繊維化
3. おわりに
機能材料連載講座:因果化学からみる材料の機能性(14)
--------------------------------------------------------------------------------
結局,因果化学ってなんだ?
What is the Causality Chemistry?
--------------------------------------------------------------------------------
市村國宏(東邦大学 理学部 先進フォトポリマー研究部門 特任教授)
本稿で,これまでの連載を総括する。因果化学の立場から材料の機能性へアプローチする
作業は3 つの段階からなる。何が機能発現の入力か,どのような素過程から成り立つか,
それぞれの素過程はどのような様式で連結されるか,をそれぞれ知ることである。こうし
た作業を通して,目的とする機能材料にかかわる課題が実践的に整理されるし,また,各
要素を巧みに組み合わせることで新規な機能材料がイメージできよう。
【目次】
1. はじめに
2. 材料機能への3つのステップ
3. トリガー増幅と触媒増幅
4. 素過程の多層化
5. 因果化学的な増幅スキームの意義
5.1 課題が整理できる
5.2 分子増幅の実態を理解する
5.3 非線形な機能発現へ展開する
5.4 既存素材が活用できる
5.5 融合的に材料を考える
6. おわりに
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透明電子活性材料-意義と現状
Transparent Electro active Materials -Significance and Current Status
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細野秀雄(東京工業大学 フロンティア創造共同研究センター 教授)
筆者の研究グループは,「ありふれた透明な酸化物を使って,独自の視点と工夫で,電子
が主役となる新しい機能性の発現をねらう」という基礎的な探索研究を「透明電子活性」
という主題のもとに展開している。この章では,本特集のイントロダクトリーとして,「
透明電子活性」の背景と意義,および今後の応用の芽となることが期待できるこれまでの
研究成果の概略を紹介する。
【目次】
1. 背景と意義
2. われわれのアプローチ
3. 透明導電性酸化物から開けた新しいフロンティア:透明酸化物半導体
4. 12CaO・7AL2O3のナノ構造と活性アニオンを活用した機能開拓
5. これからの課題に
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透明酸化物半導体:透明導電性酸化物から開けた新しいフロンティア
Transparent Oxide Semiconductor :New Frontier of Material Science
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神谷利夫(東京工業大学 応用セラミックス研究所 助教授)
透明酸化物半導体は,近年注目を集めてきた新しい半導体材料である。本稿では,酸化物
特有の電子構造,キャリア輸送特性から始めて,新材料を開拓するための設計指針につい
て述べる。また,酸化物半導体が従来の共有結合性半導体と大きく異なる特徴は,その構
造と機能の多様性にある。後半では,酸化物結晶がもつ特異な自然ナノ構造に着目し,自
然ナノ構造に由来する物性と応用について紹介する。
【目次】
1. 透明酸化物半導体の材料設計とは何か?
2. 半導体材料の開発設計:TCOからTOSへ
3. 酸化物の電子構造:共有結合性半導体との違い
4. 伝導性設計I:キャリア移動度(有効質量)
4.1 n型TOSの電子構造
4.2 アモルファス酸化物の優れた電子輸送特性
4.3 p型とTOSの材料設計
5. 伝導性設計II:キャリアドーピング
6. 伝導性設計III:キャリアを生成させない工夫
7. 自然ナノ構造をもつ酸化物の電子構造とメゾスコピック現象
7.1 ホモロガスシリーズ層状酸化物に量子構造はみられるか?
7.2 層状オキシカルコゲナイドにみられる2次元電子構造
7.3 ナノ構造を利用した新しいドーピング法
7.4 ワイドキャップ物質内のナノ空間が作る反応容器
7.5 C12A7e-に内包される結合量子ドット
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透明酸化物半導体の高品質薄膜成長
High quality Epitaxial Films Growth of Transparent Oxide Semiconductors
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太田裕道(名古屋大学 大学院工学研究科 助教授)
高品質透明酸化物半導体の薄膜成長に適した3 種類のエピタキシャル成長技術,「高温パ
ルスレーザー蒸着法」「固相エピタキシャル成長法」「反応性固相エピタキシャル成長法
」および,材料によりそれらの成長技術を使い分けるポイントを述べた。
【目次】
1. はじめに
2. 高温パルスレーザー蒸着法
3. 固相エピタキシャル成長法
4. 反応性固相エピタキシャル成長法
5. おわりに
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透明酸化物半導体を用いた透明電子デバイス
Transparent Electronic Device using Transparent Oxide Semiconductor
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野村研二((独)科学技術振興機構 ERATO SORST 透明電子活性プロジェクト 研究員)
n型透明酸化物半導体(TOS)であるホモロガス化合物InGaO3(ZnO)mを基材とし,透明電
界効果型薄膜トランジスタ(透明TFT)を作製した。単結晶薄膜を用いたTFTは,ポリシリ
コンTFTに匹敵する特性を示した。一方,アモルファス膜を用いたTFTは低温プロセスでの
製作が可能で,アモルファスシリコンTFT を凌駕する特性を示した。TOSは,透明エレク
トロニクスおよびフレキシブルエレクトロニクスに有用な材料である。
【目次】
1. はじめに
2. 透明トランジスタとフレキシブルトランジスタ
3. 層状InG8O3(ZnO)5単結晶薄膜
4. キャリア輸送特性と電子構造
5. 高性能単結晶透明トランジスタ
6. フレキシブルアモルファス透明トランジスタ
7. おわりに
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透明p型半導体:層状オキシカルコゲナイド2次元構造に起因したユニークな光・電子物性
Transparent p-type Semiconductors :Layered Oxychalcogenides Unique Optoelectronic Properties Originating from the Two-dimensional Structure
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平松秀典((独)科学技術振興機構 ERATO-SORST 研究員)
上岡隼人((独)科学技術振興機構 ERATO-SORST 研究員)
狭バンドギャップカルコゲナイド層と広バンドギャップ希土類酸化物層の積層構造を有す
るLn CuO Ch は,自然の多重量子井戸構造とみなすことができる。この結果生じる2次元
電子状態に特徴的な,室温励起子,階段状光吸収スペクトル構造,大きな非線形光学効果
,p型縮退電気伝導などについて概説する。
【目次】
1. はじめに
2. 層状オキシカルコゲナイドのエピタキシャル成長
3. 光物性
3.1 室温で安定な励起子と2次元的な電子構造
3.2 光学非線形性および励起子間相互作用
4. 電子物性
4.1 正孔輸送特性
4.2 透明p型縮退伝導
5. おわりに
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ナノポーラス結晶C12A7:雰囲気制御による活性アニオンの包接と機能性発現
Nanoporous Crystal C12A7 :Incorporation of Active Anions and Functional Design by Control of Atmosphere
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林克郎(東京工業大学 フロンティア創造共同研究センター 助手)
典型軽金属元素のみの酸化物である12CaO ・7Al2O3(C12A7)において,ナノポーラス構造
とそのケージ構造中に包接される陰イオンを利用することによって,従来にない機能性を
もたせることが可能になった。雰囲気処理によって,活性酸素O-や水素化物イオンH-な
ど,通常の酸化物結晶中では安定には存在しにくい活性イオン種が,C12A7中では大量にか
つ安定に存在することができる。これらの陰イオン種の挙動と,それに伴う機能性につい
て概説する。
【目次】
1. はじめに
2. 活性種としての酸素イオン,O2-
3. 活性酸素O-,O2-の包接と気相中へのO-生成
4. 水素化物イオンH-の包接と紫外線誘起電子伝導性
5. おわりに
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室温で安定なエレクトライド:合成と物性
Room Temperature Stable Electrode :Synthesis and Properties
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細野秀雄(東京工業大学 フロンティア創造共同研究センター 教授)
松石聡(東京工業大学 フロンティア創造共同研究センター 博士研究員)
イオン結晶はカチオンとアニオンが静電引力で結合することで構成されている。1983年,
Dye博士はクラウンエーテル溶液に金属セシウムを溶解させ溶媒を蒸発させることで,紫
色の結晶を得た。この結晶中ではセシウムイオンがエーテル分子と錯体を形成し,電子が
アニオンとして働くことで格子を作っていた。このようなエレクトライドは,これまで合
成されてきたものはすべて低温下,不活性雰囲気中でのみしか安定でなかったため,材料
化はもちろんのこと物性研究も十分ではなかった。われわれは,これまでとはまったく異
なるアプローチで室温・空気中で安定なエレクトライドを初めて合成することに成功した。
この章では,その合成法と得られた試料の物性について紹介する。
【目次】
1. エレクトライドとは
2. これまでのアプローチ
3. われわれのアプローチ
4. エレクトライドの合成は成功したのか;物性からの確認
5. エレクトライドの電子状態
6. 冷電子放出特性
7. これからの展開
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非平衡プロセスによるC12A7エレクトライド薄膜の作製
Synthesis of C12A7 Electride Thin Film by Non-equilibrium Process
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宮川仁(東京工業大学 フロンティア創造共同研究センター 研究員)
高温アルゴンイオン打ち込みにより,C12A7結晶および薄膜中に電子およびH-イオンを包
接することができる。ケージ中の自由酸素イオンが,アルゴンイオンにより選択的に弾き
出され,電子がケージに残された結果である。また,C12A7中に含まれるOH-イオンがH+
イオンの前駆体として機能し,H+と電子が結合してH-イオンが形成される。
【目次】
1. はじめに
2. C12A7へのアルゴンイオン注入
3. H-イオンおよび電子生成のメカニズム
4. おわりに
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C12A7 エレクトライドの大量合成法
Synthesis Method of Mass Product for C12A7 Electride
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金聖雄(東京工業大学 フロンティア創造共同研究センター)
C12A7粉末をカーボンるつぼ中で融解固化させる,あるいは還元ガラスを真空中で結晶化さ
せるプロセスで,C12A7エレクトライドを直接的に合成できた。簡単で,大量生産に適した
本合成法は,C12A7エレクトライドの応用展開を大きく促進するものと期待される。
【目次】
1. はじめに
2. 融資状態からの電気伝導性
2.1 融解-凝固による伝導性C12A7の合成
2.2 ガラスの結晶化による伝導性C12A7の合成
2.3 融液から直接的に合成した伝導性C12A7の評価
3. 融液からのC12A7エレクトライド合成のメカニズム
4. おわりに
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Material Report R&D
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ゼラチン繊維化技術の開発
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戸倉清一(関西大学 工学部 教養化学教室HRC)
田村裕(関西大学 工学部 教養化学教室HRC)
【目次】
1. はじめに
2. ゼラチンの繊維化
3. おわりに
機能材料連載講座:因果化学からみる材料の機能性(14)
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結局,因果化学ってなんだ?
What is the Causality Chemistry?
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市村國宏(東邦大学 理学部 先進フォトポリマー研究部門 特任教授)
本稿で,これまでの連載を総括する。因果化学の立場から材料の機能性へアプローチする
作業は3 つの段階からなる。何が機能発現の入力か,どのような素過程から成り立つか,
それぞれの素過程はどのような様式で連結されるか,をそれぞれ知ることである。こうし
た作業を通して,目的とする機能材料にかかわる課題が実践的に整理されるし,また,各
要素を巧みに組み合わせることで新規な機能材料がイメージできよう。
【目次】
1. はじめに
2. 材料機能への3つのステップ
3. トリガー増幅と触媒増幅
4. 素過程の多層化
5. 因果化学的な増幅スキームの意義
5.1 課題が整理できる
5.2 分子増幅の実態を理解する
5.3 非線形な機能発現へ展開する
5.4 既存素材が活用できる
5.5 融合的に材料を考える
6. おわりに
