阪大など、木材由来のナノセルロース製「ナノペーパー半導体」の開発に成功
マイナビニュース より 220428 波留久泉
●電子機器の生産量増加に伴う環境問題
大阪大学(阪大)、東京大学(東大)、九州大学(九大)、岡山大学、科学技術振興機構(JST)の5者は4月27日、木材由来のナノセルロース(セルロースナノファイバー:CNF)を用いて、電気特性と3D構造を幅広く制御できる「ナノペーパー半導体」の創出に成功したと発表した。
同成果は、阪大 産業科学研究所の古賀大尚准教授、東大大学院 工学系研究科の長島一樹准教授、同・高橋綱己特任准教授、九大大学院 総合理工学研究院の末松昂一助教、岡山大 異分野融合先端研究コアの仁科勇太研究教授らの共同研究チームによるもの。詳細は、「ACS Nano」に掲載された。
近年、電子機器の生産数の増加に伴う資源やエネルギーの消費加速、ならびに大量の電子ゴミの発生による環境への悪影響などが懸念されており、持続生産可能な生物資源由来で、環境にも優しい電子デバイスの創出が期待されるようになってきている。
これまで、古賀准教授らの研究チームは、木材由来のナノセルロースで作る紙「ナノペーパー」を、ガラスやプラスチックに替わる基材として応用し、優れたデバイス性能とフレキシブル性・易廃棄性・生分解性を併せ持つ環境調和型電子デバイスを創出してきた。しかし、ナノセルロースは電気を通さない絶縁体であり、電子デバイスとして動作させるためには、枯渇性資源である金属や石油由来の電子材料に頼らざるを得ないことが課題だったという。
そこで今回の研究では、ナノペーパーを段階的に炭化することによって、その電気特性を広範かつ系統的に制御できる半導体を創出することにしたとする。
●CNFを加工することで半導体化に成功
こうして完成したナノペーパー半導体の電気特性制御範囲は、電気抵抗率が1012～10-2Ωcm(絶縁体～準導体)、電荷キャリアタイプがn型(電子リッチ)もしくはp型(正孔リッチ)、キャリア移動度が0.235～2.59cm2V-1s-1であったという。
(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 (出所:阪大Webサイト))
また、ナノペーパーの構造設計技術(エンボス加工・折り紙・切り紙など)、および、形態保持炭化技術を併用することで、その3D構造をナノ～マイクロ～マクロに及ぶトランススケールで制御することにも成功したという。これは、緻密で平滑なナノ構造や高比表面積のナノ細孔構造、ハチの巣状のマイクロ細孔構造やドット状のマイクロピラー構造、マクロな折り鶴やワッフル状ドーナツ構造など、幅広く作り分けることが可能だとする。
((a)ナノペーパーの段階的・形態保持炭化により得られるナノペーパー半導体の広範かつ系統的に制御可能な電気特性。(b)ナノ～マイクロ～マクロのトランススケールで制御可能な3D構造 (出所:阪大Webサイト))
ナノペーパー半導体の広範な電気特性制御範囲とトランススケールの3D構造制御性は、従来の半導体材料を凌駕する特長であり、目的や用途に応じた機能と構造のカスタマイズを実現するという。実際、ウェアラブル水蒸気センシングによる飛沫モニタリングからバイオ燃料電池発電まで、幅広い用途において優れた電子デバイス性能を確認することができたとする。
(ナノペーパー半導体を用いたデモ。(a)ウェアラブル水蒸気センシングによる飛沫モニタリング。ウォッシャブルマスクは、呼吸に合わせて電気抵抗値が脈動しており、飛沫が漏れている。サージカルマスクは、飛沫を吸着したマスク表面の湿度が上がり徐々に電気抵抗値低下しており、飛沫は漏れていない。(b)グルコースバイオ燃料電池発電。グラファイトより14倍高いパワー密度、LED点灯に十分な発電性能 (出所:阪大Webサイト))
今回の研究成果は、木材由来のナノセルロースに半導体としての新たな価値を生み出し、電子デバイスへの適用性を拡大させるものだ。
将来、間伐材などの未利用木材を原料にしたオールナノセルロース・電子デバイス、さらには、金属や石油資源に依存しない生物資源由来の持続可能なエレクトロニクスの実現につながることが期待されるとした。
