科学大好き!アイラブサイエンス!このブログでは、最新科学の?をなるべくわかりやすくコメントします。
スケルトンタイプの電気製品が流行した。透明な電気製品の中に複雑な電子回路が見える製品には、近未来的な好奇心を感じた。
 
しかし、透けるといっても中の配線や配電盤はしっかり見えていた。もしこれらの電子回路の部分も透明になったらオールスケルトンタイプの電気製品ができる。
 
そんな夢の技術が一歩実現に近づいた。東北大学の金属材料研究所のグループが透明な酸化物半導体(酸化亜鉛)を、薄膜結晶にする技術を開発した。
 
この技術は、透明エレクトロニクスの中心課題であった透明薄膜トランジスタ高性能化を可能にするだけでなく、高温超伝導酸化物にも応用することが期待されるすばらしい成果だ。
 
近未来には、透明なガラスと思ったものが、電気を流すとテレビになるといったものができます。窓の外の景色をその日の気分によって変えるといった使い方もできるでしょう。
 
今日は将来の夢の技術「透明エレクトロニクス」について調べます。(参考HP JST)
 
 スケルトン金属  ZnO    

関連するニュース

酸化物における量子ホール効果の観測に初めて成功

国立大学法人東北大学金属材料研究所の塚崎 敦博士研究員と大友 明助手らは、東北大学電気通信研究所および独立行政法人科学技術振興機構と共同で、酸化物における量子ホール効果の観測に世界で初めて成功しました。

量子ホール効果の観測に用いた試料は、酸化亜鉛(ZnO)および酸化亜鉛と酸化マグネシウムの混晶(MgZnO)の積層薄膜からなり、結晶育成技術を工夫し薄膜結晶の品質を高めたことで今回の成功につながりました。

量子ホール効果は、高純度の半導体中に形成された2次元電子ガスホール抵抗が極めて高精度に量子化されることを利用して電気抵抗標準として用いられています。なお、量子ホール効果には、整数量子ホール効果と分数量子ホール効果とがあり、今回観測されたのは整数量子ホール効果です。

東北大学の研究グループは、従来のZnO薄膜結晶の品質を著しく改善する成長技術を開発し、紫外発光ダイオードや透明薄膜トランジスタなどの素子を世界に先駆けて開発してきました。今回、この技術を基に作製したZnOとMgZnOの積層薄膜で、分極効果をつくると、高い移動度を有する2次元電子ガスを形成することに成功したので、量子ホール効果の観測に至りました。

今回の成果は、透明エレクトロニクスの中心課題であった透明薄膜トランジスタ高性能化を可能にするだけでなく、高温超伝導酸化物をはじめとする多様な物性・材料群と量子ホール効果を組み合わせることを容易にすることから、新奇な物理現象発見への可能性を拡げるものです。

本研究成果は、米国の科学雑誌「Science(サイエンス)」への掲載に先立ち、2007年1月25日(米国東部時間)付けでオンライン公開されます。 (2007年1月26日 独立行政法人科学技術振興機構)

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透明エレクトロニクスの未来


近年、透明なプラスチックで外装された“スケルトン”構造の携帯型機器が多く見られるようになりましたが、「透明エレクトロニクス」で実現できることを端的に言えば、機能の根幹である電子回路も透明にしてしまうことです。

そのためには、透明薄膜トランジスタの高性能化、すなわち電子移動度の向上が必要でした。酸化物半導体でも従来の半導体並みに高いトランジスタ特性を実現できる可能性を示した点で、本研究は「透明エレクトロニクス」の実現に可能性を切り拓いたといえます。

透明な電気を通す物質とは?


「透明」というと=ガラス=絶縁体というイメージがあるので、電気を通す物質はないように思いますが、実はいくつか発見されています。

ITO(酸化インジウム・スズ)
・酸化インジウムに5〜10wt%の酸化スズを添加
・In3+席に置換したSn4+がキャリア電子を発生する
・酸素欠損も同時にキャリアを発生
・抵抗率が低い(1.5〜2.0×10−4Ωcm)

・液晶ディスプレイなどにもっともよく用いられている
・インジウムが高価である

酸化亜鉛
・酸化亜鉛に酸化アルミニウムや酸化ガリウムを添加
・安価だが抵抗率が高い(〜1.0×10−3Ωcm)

酸化スズ
・酸化スズに酸化アンチモンやフッ素をドープ
・太陽電池用電極として使用されている

量子ホール効果とは?


2次元電子ガス(参考図)の運動方向に垂直に強い磁場をかけると電子の軌道運動が量子化され、エネルギーがとびとびの値となるランダウ準位が形成されます。

このランダウ準位を磁場の強度で変化させたとき、電子のエネルギーがちょうどランダウ準位のエネルギーと一致するとホール抵抗(参考図)に平坦部が現れます。ホール効果が量子化されるこの現象を量子ホール効果と呼びます。

なお、量子ホール効果には整数量子ホール効果と分数量子ホール効果とがあり、それぞれを明らかにした功績により発見者には1985年と1998年にノーベル物理学賞が贈られました。

2次元電子ガスとは何か?


半導体と絶縁体あるいは異種半導体どうしの接合界面で界面に沿って運動する電子、すなわち、2次元平面にのみ運動量を持つ希薄な電子のことを2次元電子ガスと呼びます。 (参考図

ホール抵抗とは何か?


固体中を流れる電流に垂直に磁場をかけると、電流と磁場の両方に直交する方向に電圧(ホール電圧)が生じる現象をホール効果と呼び、ホール電圧を電流で割った値がホール抵抗です(参考図)。

分極効果とは何か? 


コンデンサでは絶縁体の両端に電圧をかけたときだけ電荷が蓄積されますが、絶縁体を強誘電体に置き換えると電圧を切っても蓄積された電荷は失われないため、不揮発性メモリとして動作し実用されています。

このとき強誘電体中では相反する電荷を担う原子または分子の位置がわずかにずれており、これを分極した状態にあるといいます。ある種の結晶は電圧をかけなくても特定の結晶方位にわずかに分極した状態にあります。

分極の大きさが異なる異種材料を接合するとその差に比例した電荷が界面に蓄積されるようになります。このことを分極効果と呼び、本研究で用いたZnOとMgZnOの接合では、この分極効果を用いて正の電荷を界面に蓄積した結果、電子が界面に引き寄せられて2次元電子ガスが形成されました(参考図)。 
 

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