2017/3/23 1 環境と人間：ナノテクノロジーが拓く光・マテリアル⾰命 「ナノテクを使えば⽯ころだって役に⽴つ」 北海道⼤学 電子科学研究所 太 田 裕 道 結 晶 ⽯ころ 誕生⽯ キュービックジルコニア（c-ZrO 2 ） ：2500℃ 人工宝⽯
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環境と人間：ナノテクノロジーが拓く光・マテリアル⾰命
「ナノテクを使えば⽯ころだって役に⽴つ」
北海道⼤学 電子科学研究所太 田 裕 道 結 晶
⽯ころ
誕生⽯
キュービックジルコニア（c-ZrO2）融点：2500℃
人工宝⽯
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キュービックジルコニア
ダイヤモンド
違いが分かりますか？
> ￥1,000,000 (1ct)< ￥1,000 (1ct)
キュービックジルコニア
ダイヤモンド
How much?
私の研究対象 ⽯ころの素材＝⾦属の酸化物（サビ）
粉体： 化粧品、電池材料、光触媒など焼結体： 茶碗、ガイシ、包丁、ｺﾝﾃﾞﾝｻ
非晶質： ガラス全般、光ファイバー単結晶： ⼈⼯宝⽯、基板材料
⽯ころ素材は何でできてるの？
ZnO LiCoO2 TiO2
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⽯ころ素材は何でできてるの？
Mg-Al-Si-O
ZrO2 BaTiO3
⽯ころ素材は何でできてるの？
・いろいろな組合せができる・毒性元素を使わなくてもよい・地球上で最も安定な化合物
イタイイタイ病
水 俣 病
和歌山カレー事件
タリウム事件
私のナノテク パルスレーザー堆積法
ITO ZnO NiO TiO2
InGaZnO4 SrTiO3 C12A7 Y2O3
SrRuO3 CoO NaCoO2 Ca3Co4O9
LiCoO2 SrCu2O2 Fe3O4 SnO2
KrF excimer laserWavelength： 248 nm (5 eV)Pulse energy： 20 – 50 mJ (typical)Pulse width： ~20 nsEnergy density： ~100 MW/cm2
Base pressure ~10-6 Pa
O2 pressure ~10-3 Pa
鳥取砂丘の風紋 宝⽯薄膜の表面
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チタン酸ストロンチウムSrTiO3
0.39 nm
原子レベルでフラット！ 原子レベルでフラット！
テニスボール 酸化物イオン直径 6.5 cmΦ 直径 0.25 nmΦ
X 260,000,000
酸化物イオンにとって距離100 nm は、テニスボールにとって距離 26 m
どのくらい平坦かというと
298 KH. Amano, N. Sawaki, I. Akasaki, and Y. Toyoda, Appl. Phys. Lett. 48, 353 (1986)
Without buffer layer With LT-AlN buffer layer
LED照明って知ってますよね？
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ナノテクを駆使して作製した単結晶薄膜（宝⽯）
NiOAPL 2003
ITOAPL 2000
InGaO3(ZnO)5Adv. Funct. Mater. 2003
LaCuOSAPL 2003
NaxCoO2Cryst. Growth Des. 2005
Ca3Co4O9APL 2006
K. Nomura, H. Ohta, A. Takagi, T, Kamiya, M. Hirano and H. Hosono, Nature 432, 488 (2004)
K. Nomura, H. Ohta, K. Ueda, T. Kamiya, M. Hirano, H. Hosono, Science 300, 1269 (2003)
高性能透明薄膜トランジスタ 曲がる透明薄膜トランジスタ
⽯ころを使ったトランジスタ
活性層：InGaO3(ZnO)5単結晶薄膜 活性層：InGaZnO4アモルファス薄膜
特許 4620046 号特許 4164562 号
ポリシリコンTFTに匹敵する移動度（80 cm2V-1s-1）
室温で形成可能で、アモルファスシリコンTFTの10倍の移動度（10 cm2V-1s-1）
１. ⽯ころトランジスタ⽯ころで電池⻑持ちスマホ
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IGZO液晶 従来液晶
12時間 6時間
イグゾーって？
演歌歌手ではありません・・・
イクゾー
ｱﾝﾄﾆｵ猪木さんでもありません。
O
Zn/Ga
In
違います・・・
酸化インジウム、酸化ガリウム、酸化亜鉛を混ぜ合わせて作られた、透明な酸化物半導体 InGaZnO4（IGZO）のことで、シャープ(株)が商品化の際に「イグゾー」と名付けました。
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偏光板
ガラス基板
液晶
カラーフィルター
白色LED光
ディスプレイの色・明るさを変えるためのスイッチ
トランジスタ
絶縁体 ⾦属電極⾦属電極
⾦属電極
IGZO
ﾄﾗﾝｼﾞｽﾀ IGZOの中に「電子君」が散らばっています。
絶縁体 ⾦属電極⾦属電極
⾦属電極－ － － － － － － － － － －
＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋
IGZO
そこに「電子君」の大好きな「＋」が現れました。ﾄﾗﾝｼﾞｽﾀ
絶縁体 ⾦属電極⾦属電極
⾦属電極－ － － － － － － － － － －
＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋
IGZO
たくさんの「電子君」が集まって、「⾦属」になりました。
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絶縁体 ⾦属電極⾦属電極
⾦属電極
IGZO
スイッチOFF「＋」がいなくなると「電子君」たちは
またバラバラになりました。
絶縁体 ⾦属電極⾦属電極
⾦属電極－ － － － － － － － － － －
＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋
IGZO
スイッチON
イグゾーのすごいところどうして消費電⼒が少なくて、綺麗な画⾯が実現できたのか？
1. 電子の移動速度が速い
従来ﾄﾗﾝｼﾞｽﾀIGZOﾄﾗﾝｼﾞｽﾀ
In 5s軌道 電子移動度 10 cm2/Vs Si sp3混成軌道 電子移動度0.1 cm2/Vs
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従来ﾄﾗﾝｼﾞｽﾀ
IGZOﾄﾗﾝｼﾞｽﾀSTART
START
GOAL道路が広くて走りやす
いよ
GOAL
狭いし、切れてるし・・・
従来ﾄﾗﾝｼﾞｽﾀIGZOﾄﾗﾝｼﾞｽﾀ
IGZOは従来よりもバックライトの明るさを暗くすることができる 低消費電⼒
電子の移動速度が速いのでトランジスタを小さくできる
イグゾーのすごいところどうして消費電⼒が少なくて、綺麗な画⾯が実現できたのか？
1. 電子の移動速度が速い
2. スイッチが完全に切れる
従来ﾄﾗﾝｼﾞｽﾀIGZOﾄﾗﾝｼﾞｽﾀ透明なので、光を照らしても電子が増えない。スイッチOFFのときには電⼒消費しない
光を照らすと電子が増えてしまうので、スイッチOFFのときにも電⼒を消費する
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絶縁体 ⾦属電極⾦属電極
⾦属電極－ － － － － － － － － － －
＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋
スイッチON
従来半導体
絶縁体 ⾦属電極⾦属電極
⾦属電極
従来半導体
スイッチOFF
－ － － － － － － － － －
＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋
絶縁体 ⾦属電極⾦属電極
⾦属電極
IGZO
スイッチOFF シャープのIGZOムービー
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３. リチウムイオン電池⽯ころで、安全な電池を
iPhone 71960 mAh
AQUOS ZETA 3000 mAh100時間
arrows NX 2850 mAh120時間
Galaxy S7 edge 3600 mAh100時間
Xperia XZ2900 mAh95時間
みんなのスマホは安全？それとも危険？
危険安全
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ロードスターには Liイオン電池が6831個積まれている
１８６５０（いちはちろくごーまる）
搭載個数： 6831個総容量： 約 53 kWh電池重量： 約 450 kg
電気料⾦にすると約900円
18 mm
65 m
m
テスラ・ロードスター
Ｆｉｓｋｅｒ Karmaプラグインハイブリッド⾞
総排気量 2000 cc ＋ モーター2基エンジン 直列4気筒 ターボ最高出⼒ 408⾺⼒最大トルク 132 kgm燃費 22 km/L
ハリケーン・サンディによる水没後に燃えたそうです
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16台（2億円相当）が燃えたそうです日本でも・・・
Boeing 787 Dreamliner
高松空港（2013年1月16日） ボストン空港（2013年1月7日）
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携帯電話の電池パック 1個は約50 g携帯電話 56台分の電池を搭載
バッテリーは完全に炭化していたようですプラグインハイブリッド⾞を充電中に出⽕
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Galaxy Note 7 Galaxy Note 7から出⽕
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電池を燃えないようにしたい Y. Kato, …, and R. Kanno et al., Nature Energy 1, 16030 (2016)
Y. Kato, …, and R. Kanno et al., Nature Energy 1, 16030 (2016)
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１. トランジスタ⽯ころで電池⻑持ち
2. 電池⽯ころで電池を安全に
ナノテクを使えば⽯ころだって役に⽴つ レポート課題今日お話ししたように、⾝近にある⽯ころ素材（⾦属酸化物）で、ナノテクを使って役に⽴つ機能を発現しているものがいくつかあります。
こうした⾝近にある⽯ころ素材（酸化物）で、ナノテクノロジーを使って役に⽴つ機能を発現しているものについて調べ、A4用紙２枚程度にまとめてください。
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