Research Abstract



Field-induced water electrolysis switches an oxide semiconductor from an insulator to a metal

2010年11月16日 Nature Communications 1 : 118 doi: 10.1038/ncomms1112

水は、酸化物にとって強力な2つの電気化学的活性剤であるH+とOHからなるが、これまで酸化物半導体に おける電子活性材料として用いられたことはない。本論文では、水を吸い込んだナノ多孔質ガラスによって、酸化物半導体が絶縁体から金属へ電気的に切り替え られることを実証する。我々は、水を吸い込んだナノ多孔質ガラス(アモルファス12CaO・7Al2O3)をゲート絶縁体として用い、酸化物半導体SrTiO3上に電界トランジスタ構造を作製した。室温で、正のゲート電圧を印加することにより、電子の蓄積、水の電気分解、電気化学的な還元がSrTiO3表面で逐次的に起こり、その結果、エキゾチックな熱電挙動を示す極めて薄い(約3 nm)金属層(高電子濃度:1015~1016 cm−2)が形成されることがわかった。エレクトロニクスや電池の分野において、ナノ多孔質ガラスに染み込んだ水の電子活性が利用できる多くの用途が見つかるだろう。

太田裕道1,2, 佐藤幸生3, 加藤丈晴3, 金聖雄4, 野村研二4, 幾原雄一3,5 & 細野秀雄4

  1. 名古屋大学大学院 工学研究科 化学・生物工学専攻
  2. 科学技術振興機構 さきがけ
  3. ファインセラミックスセンター ナノ構造研究所
  4. 東京工業大学 フロンティア研究機構
  5. 東京大学大学院工学系研究科 総合研究機構
Water is composed of two strong electrochemically active agents, H+ and OH ions, but has not been used as an active electronic material in oxide semiconductors. In this study, we demonstrate that water-infiltrated nanoporous glass electrically switches an oxide semiconductor from insulator to metal. We fabricated a field-effect transistor structure on an oxide semiconductor, SrTiO3, using water-infiltrated nanoporous glass — amorphous 12CaO·7Al2O3 — as the gate insulator. Positive gate voltage, electron accumulation, water electrolysis and electrochemical reduction occur successively on the SrTiO3 surface at room temperature. This leads to the formation of a thin (~3 nm) metal layer with an extremely high electron concentration (1015–1016 cm −2), which exhibits exotic thermoelectric behaviour. The electron activity of water as it infiltrates nanoporous glass may find many useful applications in electronics or in energy storage.