Charge Transfer in Oxide Nanosheets-Graphene Heterostructures for Sensing Applications

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本研究は、酸化物ナノシートとグラフェンとのヘテロ界面に起こりうる電荷移動現象に焦点を当て、新しいセンシングデバイスを創製することを目的としている。真空ろ過法を使用して、酸化チタンナノシートの分散液から薄膜を調製した。ナノシートは再積層し、厚み約2μmの薄膜が得られた。交流インピーダンス分析法により、酸化チタンナノシートは優れたプロトン伝導特性を示すことが分かった。室温付近で伝導率は10-4 Scm-1～10-2 Scm-1程度であるが、温度と相対湿度（RH）の増加とともに増大し、80度とRH90％の条件の下で10-1 Scm-1に達する。すなわち、酸化チタンナノシートから調製した高配向性薄膜は、一般的な生体分子および有機伝導体（例えば、Nafion）と同様に、優れたプロトン伝導特性を示すことが明らかになった。さらに、酸化チタンナノシートの側面に酸化グラフェンをヘテロ接合した薄膜デバイスを試作した。電流-電圧試験ではこの薄膜デバイスがダイオードと同様に電流遮断の現象が観察された。この結果に基づき、相対湿度の変化を伴う大気環境の中または不活性ガス条件下でのデバイスの電流-電圧特性を解析することによって、薄膜デバイス内の主たる伝導キャリアがプロトンであることを明らかにした上、グラフェン側がキャパシタと同様に静電容量を貯蔵する一方、酸化チタンナノシートと金属電極との界面にはイオンを蓄積することが確認された。つまり、酸化物ナノシートとグラフェンのヘテロ接合体を利用すれば、イオン輸送・伝導特性が制御でき、優れたセンシング応答性能を有するイオンデバイスを実現できる可能性を示した。このアプローチは、他の２次元材料にも適用できると考えられることから、さらに広範な応用につながると期待される。