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木材由来、電気特性と3D構造を
カスタマイズできるナノ半導体を創出

 
―持続可能なエレクトロニクスの実現に道―

公開日:2022.04.27

 

研究成果 Physics & Chemistry Technology

ポイント

  • 木材由来、電気絶縁性のナノセルロースをナノ半導体に変換することに成功
  • 目的や用途に応じて、電気特性と3D構造を広範かつ系統的にカスタマイズ可能。ウェアラブルセンサやバイオ燃料電池発電用途における有用性も実証
  • 全て木材由来、持続可能なエレクトロニクスに向けた端緒を拓く成果として期待

概要

 大阪大学産業科学研究所の古賀大尚准教授、東京大学大学院工学系研究科の長島一樹准教授、高橋綱己特任准教授、九州大学大学院総合理工学研究院の末松昂一助教、岡山大学異分野融合先端研究コアの仁科勇太研究教授らの研究グループは、木材由来のナノセルロース※1を用いて、電気特性と3D構造を幅広く制御できるナノ半導体の創出に成功しました。
 環境調和型の次世代エレクトロニクスに向け、持続可能な電子デバイスの開発が希求されています。古賀准教授らの研究グループは、持続可能な生物資源、木材ナノセルロース由来の紙「ナノペーパー※2」を用いて、紙の電子ペーパーや生分解性ペーパーメモリといった環境調和型の電子デバイスを世界に先駆けて開発してきました。しかし、ナノペーパーは電気を通さない完全な絶縁体であったため、これまでは主に基材としての利用にとどまっており、電子デバイスとして動作させるためには枯渇性資源由来の半導体※3が不可欠でした。
 今回の研究では、ナノペーパーによる紙ならではの3D構造設計技術、および、段階的炭化※4・形態保持炭化技術を駆使し、絶縁体~準導体まで系統的な電気特性制御が可能、かつ、ナノ~マイクロ~マクロのトランススケールで3D構造制御が可能な新奇ナノ半導体を得ることに成功しました(図1)。これにより、目的や用途に応じた電子機能や3D構造のカスタマイズが可能になり、全て木材由来の電子デバイスを作製することも夢ではなくなります。持続可能なグリーン・エレクトロニクスの実現に向けた道を拓く成果として期待されます。

 本研究成果は、米国科学誌「ACS Nano」に、4月27日(水)午前0時(日本時間)に公開されました。

図1 木材ナノセルロース由来、電気特性と3D構造をカスタマイズ可能な新奇ナノ半導体の作製戦略・概要図

用語解説

※1 ナノセルロース:樹木細胞壁から抽出できる非常に細いナノ繊維で、セルロースナノファイバーとも呼ばれます。軽量、高強度、高耐熱、高透明かつ持続生産可能なナノ材料として注目を集めており、工場での量産や実用化も進んでいます。

※2 ナノペーパー:ナノセルロースを用いて作られる紙。エレクトロニクス分野においては、フレキシブル性や生分解性を有する電子デバイス基材として注目を集めています。

※3 半導体:自身の電気特性を制御可能で、電子デバイスの動作に不可欠な電子材料です。現代のエレクトロニクスを支える重要な役割を果たしています。

※4 炭化:高温処理によって有機物質が熱分解し、炭素に富んだ物質に変化すること。本研究では、温度制御による段階的炭化処理により、ナノセルロースの分子構造を細かく変化させることで、広範かつ系統的な電気特性制御を実現しています。

論文情報

掲載誌:「ACS Nano」(オンライン)

タイトル:“Nanocellulose Paper Semiconductor with a 3D Network Structure and Its Nano–Micro–Macro Trans-Scale Design

著者名:Hirotaka Koga, Kazuki Nagashima, Koichi Suematsu, Tsunaki Takahashi, Luting Zhu, Daiki Fukushima, Yintong Huang, Ryo Nakagawa, Jiangyang Liu, Kojiro Uetani, Masaya Nogi, Takeshi Yanagida, Yuta Nishina

DOI:https://doi.org/10.1021/acsnano.1c10728

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