水素の荷電状態制御に基づく高速電子物性スイッチング

水素の対極的な荷電状態変化(H+およびH-)や物質内拡散を活用した、新たな電子物性制御および機能応用を目指している。これまでに、イットリウム酸水素化物薄膜における可逆な光誘起絶縁体-金属転移を初めて達成し、メカニズムとして水素イオンの酸化還元反応(H- →/← H+ + 2e-)に伴うサイト間移動を提案した。しかし、絶縁化プロセスはこれまで熱的なものしか知られておらず、高温・長時間(>100℃, ~hours)を要する点が光エレクトロニクス応用における課題であった。そこで本研究では、電場駆動による水素の荷電状態制御を用いた、高速エレクトロクロミズムをはじめとする水素化物の新奇な物性変調を狙った。2021年度は、予備実験により見出された水溶液中電位印加による金属-絶縁体転移に関して、電位応答性評価やメカニズム解明に向けた検討を行った。はじめに、反応電位や時間スケールを評価するため、透明導電膜(Nb-doped TiO2)を集電体とした積層薄膜作製および電位応答性評価を行った。UV光照射した黒色薄膜に対して、NaOH水溶液中にて+1.0 V vs. RHEの電位印加を行ったところ、10 secでの透明化を見出した。これは、熱による透明化が125℃、2 hourを要するのと比較して大幅に速い。この電位印加絶縁化のメカニズムを調べるため、電位印加前後における構造・組成評価を行った。X線回折からはイットリウムfcc骨格の維持を確認した。一方で、重水素(D)ラベリングした薄膜を用いた水素組成評価(核反応分析法)からは薄膜-溶液間における水素含有種の拡散を示唆する結果が得られた。今後は、絶縁化メカニズムにおける電界効果と化学置換効果の判別や、水素拡散を積極的に活用した物性開拓へと展開する。

水素の対極的な荷電状態変化(H+およびH-)や物質内拡散を活用した、新たな電子物性制御および機能応用を目指している。これまでに、イットリウム酸水素化物薄膜における可逆な光誘起絶縁体-金属転移を初めて達成し、メカニズムとして水素イオンの酸化還元反応(H- →/← H+ + 2e-)に伴うサイト間移動を提案した。しかし、絶縁化プロセスはこれまで熱的なものしか知られておらず、高温・長時間(>100℃, ~hours)を要する点が光エレクトロニクス応用における課題であった。そこで本研究では、電場駆動による水素の荷電状態制御を用いた、高速エレクトロクロミズムをはじめとする水素化物の新奇な物性変調を狙った。2021年度は、予備実験により見出された水溶液中電位印加による金属-絶縁体転移に関して、電位応答性評価やメカニズム解明に向けた検討を行った。はじめに、反応電位や時間スケールを評価するため、透明導電膜(Nb-doped TiO2)を集電体とした積層薄膜作製および電位応答性評価を行った。UV光照射した黒色薄膜に対して、NaOH水溶液中にて+1.0 V vs. RHEの電位印加を行ったところ、10 secでの透明化を見出した。これは、熱による透明化が125℃、2 hourを要するのと比較して大幅に速い。この電位印加絶縁化のメカニズムを調べるため、電位印加前後における構造・組成評価を行った。X線回折からはイットリウムfcc骨格の維持を確認した。一方で、重水素(D)ラベリングした薄膜を用いた水素組成評価(核反応分析法)からは薄膜-溶液間における水素含有種の拡散を示唆する結果が得られた。今後は、絶縁化メカニズムにおける電界効果と化学置換効果の判別や、水素拡散を積極的に活用した物性開拓へと展開する。