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

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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．