Development and systematization of highly-oriented layered chalcogenide piezoelectric thin films for batter-less IoT sensors

用于无电池物联网传感器的高度取向层状硫族化物压电薄膜的开发和系统化

基本信息

批准号：
22KJ0244
负责人：
王吟麗
金额：
$ 1.09万
依托单位：
Tohoku University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2023
资助国家：
日本
起止时间：
2023-03-08 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22KJ0244/
关键词：
層状カルコゲナイド薄膜圧抵抗効果圧電効果 IoTデバイス

项目摘要

本研究の概要は，近未来“Society 5.0”のIoTデバイス，ロボット用小型センサ，高性能発電装置，ウイルスセンサなどに応用可能なピエゾ薄膜を開発し，各物性およびデバイス性能を解明するものである．スパッタリング成膜を用いて高性能な層状カルコゲナイド系薄膜を創成し，その圧電システム化により電池レスIoTセンサの実現を行う研究である．本年度は，主に以下の実験を行った．①高配向性を持つCr2Ge2Te6薄膜の作製：現在，一般的なスパッタリング成膜法を用いて，アモルファス状態のカルコゲナイドを結晶化させる事で高結晶配向な層状カルコゲナイドを数十nm～数百nm 厚さまで様々なサイズの試料を正確かつ極めて再現性高く作製することができた．これにより，スパッタリング法で温度・厚さ・積層数などを変化させてCr2Ge2Te6 膜を作製し，特性を評価できる．②ピエゾ抵抗効果の評価：ウェアラブルセンサに向けるため，フレキシブルな基板でCr2Ge2Te6薄膜を製膜して、ピエゾ抵抗の性能を評価した．また，薄膜の力学特性は基板と非常に異なることを考慮して，実験結果に有限要素解析的検討を加えている．その結果，Cr2Ge2Te6薄膜が非常に優れたピエゾ抵抗効果を持つことを明らかにした．③メカニズムの解明：今回，現有の半導体薄膜材料と比べて，Cr2Ge2Te6薄膜は数十倍よりも優秀なピエゾ抵抗を現れた．材料内部の変化を明らかするために，ホール測定・ゼーベック測定・XRD・ラマン分光法などを通して，Cr2Ge2Te6薄膜中に優れたピエゾ抵抗効果を発生するメカニズムを解明している．今後，この結果を基づいて，層状カルコゲナイドの設計と改善を行う．上述した高結晶配向性カルコゲナイド層状薄膜の開発思想と層状カルコゲナイドのデバイス設計について，得られた結果を取りまとめ学会発表を行った．

本研究的概要是开发可应用于不久的将来“社会5.0”物联网设备、机器人小型传感器、高性能发电设备、病毒传感器等的压电薄膜，并阐明其物理特性和设备性能．．这项研究旨在利用溅射沉积技术创建高性能层状硫族化物薄膜，并通过将其转换为压电系统来创建无电池物联网传感器。今年，我们主要进行了以下实验。 ①高取向Cr2Ge2Te6薄膜的制备：目前，通过使用一般的溅射成膜方法使硫族化物在非晶态下结晶，可以制备出厚度为数十至数百nm的高取向层状硫族化物。准确地测量各种尺寸并具有极高的再现性。这使得可以使用溅射方法通过改变温度、厚度、层数等来制造Cr2Ge2Te6薄膜并评估其性能。 ②压阻效应的评估：为了将其用作可穿戴传感器，我们在柔性基板上形成了Cr2Ge2Te6薄膜并评估了压阻器的性能。此外，考虑到薄膜的机械性能与基底的机械性能有很大不同，我们在实验结果中加入了有限元分析。结果表明Cr2Ge2Te6薄膜具有极其优异的压阻效应。 ③机理阐明：这次，与现有的半导体薄膜材料相比，Cr2Ge2Te6薄膜表现出数十倍的压阻性能。为了阐明材料的内部变化，我们通过霍尔测量、塞贝克测量、X射线衍射和拉曼光谱阐明了Cr2Ge2Te6薄膜中产生优异压阻效应的机制。未来，我们将根据这些结果设计和改进层状硫属化物。我们总结了上述高度取向硫族化物层状薄膜的开发理念和层状硫族化物器件设计所取得的成果，并在学术会议上进行了报告。