固体電解質を用いた全固体電気二重層トランジスタにおけるキャリア注入機構の解明

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今年度においても前年度までに開発した固固界面における電気二重層効果の新規定量評価法を用いて、固界面が示す電荷キャリアー蓄積挙動の静的・動的特徴及びその支配的な制御パラメータについて調査を行なった。これまでに様々なリチウムイオン伝導体の固体電解質について検証し、リチウムイオンブロッキング状態の電極/リチウム系固体電解質界面において、電気二重層効果は無機酸化物系固体電解質にも存在することそして界面近傍の電解質組成の制御で、電気二重層効果の制御が可能であることを明らかにした。ただし、より詳細に界面の挙動を知るためには電気二重層効果が抑制された固体電解質Li-La-Ti-O(LLTO)系での抑制機構の解明が必要である。そこで、LLTOで確認された抑制機構を詳細に調べるために、走査型透過型電子顕微鏡-電子エネルギー損失分光法によるその場測定を行った。得られたスペクトルを解析した結果、電圧印加によってL L T Oに含まれるTiの酸化数変化がリチウムイオン輸送に伴って生じていた。このことからTiの価数変化に起因する電荷補償が電気二重層形成を抑制したと結論づけた。さらに界面での電位分布をその場硬X線光電子分光測定を用いて調査した。光電子分光スペクトルの解析を行ったところ、界面から1nm以下の領域で非常に急峻な電位ジャンプ、界面から10-20nmの距離に比較的緩やかな電位傾斜が生じていることがわかった。このような電位分布は、液体電解質との界面に見られるヘルムホルツ層と拡散層からなる電気二重層モデルの特徴とよく一致しており、液体電解質の代わりに固体電解質を用いた場合でもサブナノメートルのヘルムホルツ層及び数nmの拡散層が形成されることが明らかになった。