電気特性と3D構造をカスタマイズできる木材由来のナノ半導体を創出 大阪大学ら

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大阪大学は2022年4月27日、同大学産業科学研究所が東京大学、九州大学、岡山大学と共同で、木材由来のナノセルロースを用い、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たと発表した。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でき、全て木材由来の電子デバイスの作製に繋がることが期待される。

金属や石油など枯渇性資源の消費の加速や、大量の電子ゴミ発生による環境への悪影響から、環境調和型の次世代エレクトロニクスに向け、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開発が求められている。

これまで研究グループは、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」を用いて、紙の電子ペーパーや生分解性ペーパーメモリーといった環境調和型の電子デバイスを開発してきた。しかし、電気を通さない絶縁体のナノセルロースを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が不可欠だった。

今回の研究では、段階的にナノペーパーを炭化することで、電気特性を広範かつ系統的に制御できる半導体を創出した。さらに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)と、形態保持炭化技術を併用し、ナノ~マイクロ~マクロに及ぶトランススケールで3D構造を制御することにも成功した。

ナノペーパーの段階的・形態保持炭化により得られる半導体(ナノペーパー半導体)の(a)広範かつ系統的に制御可能な電気特性、および、(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

創出したナノペーパー半導体は、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、幅広く作り分けられる。これまでの半導体材料を凌駕する広範な電気特性制御範囲とトランススケールの3D構造制御性を有し、目的や用途に応じて機能と構造をカスタマイズできる。

実際に、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、優れた電子デバイス性能を幅広い用途で確認している。

ナノペーパー半導体を用いたデモンストレーション(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(b)グルコースバイオ燃料電池発電

研究成果は、半導体としての新たな価値を木材由来のナノセルロースに生み出しており、電子デバイスへの適用性を拡大する。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、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に繋がることが期待される。

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