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透明酸化物機能材料の開発と応用

  • Developments and Applications of Transparent Oxides as Active Electronic Materials
(2006年『透明酸化物機能材料とその応用』普及版)

商品コード: B0964

  • 監修: 細野秀雄・平野正浩
  • 発行日: 2011年6月
  • 価格(税込): 5,400 円
  • 体裁: A5判,340ページ
  • ISBNコード: 978-4-7813-0334-5

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  • セメント化合物,アモルファス,シリカガラス,細野プロジェクト,エピタキシャル成長,エレクトライド,イオン打ち込み

刊行にあたって

 「細野プロジェクト」の研究主題は,機能材料としての酸化物の新しいフロンティアの開拓である。新しいフロンティアは,多くの人が全く気がつかない,その可能性を理解できず興味を感じない,または何らかの理由でテーマとして取り上げることを躊躇するところに存在していることが多い。材料の開発には時間がかかることもあり,海のものとも山のものともわからない新材料の研究開発には,二の足を踏む研究者が多いのが現実である。細野プロジェクトでは,多くの研究者が活躍し,すでに世間の注目が集まっている分野には,意識して足を踏み込まないようにし,これまでほとんど研究対象として取り上げられることのなかった材料をあえてとり上げてきた。そのため本書で紹介しているデラフォサイト化合物AMO2,ホモロガス化合物InGaO3(ZnO)m,LaCuOS,LaFeOP,12CaO・7Al2O3(C12A7),アモルファス酸化物半導体IGZOなどは,材料の研究開発に従事する多くの研究者にとっても,実感のわかない化合物であるに違いない。比較的ポピュラーな石英ガラス及びフェムト秒パルスレーザー加工に関しても,先駆者の轍を避けて,独自な取り組みを心掛けてきた。「アインシュタインがいなかったとしても相対性理論は完成したが,ベートーベンがいなっかたら,交響曲第5番を我々が耳にすることは決してなかった」と言われるように,「細野プロジェクトがなかったなら,C12A7あるいはアモルファス酸化物半導体が実用材料となることはなかった」と言われるようになれば,プロジェクトの本望である。本書は,われわれの「人のやらないことをやる」との方針が明瞭に反映された内容となることを心がけ,プロジェクトの究極の目標への一里塚のつもりで監修した。
 本書は,研究開発が完結し,評価が決まったテーマに関して,その内容を解説的に記述したものではない。現在も,機能材料としての実用化を目指し,研究開発を継続しているテーマに関して,その途中経過を記述し,研究に従事する研究者の個性的な展望を示す臨場感あふれる内容になっていると自負している。
 新規な材料の,単なる技術的な内容の理解に留まらず,そうした研究成果をもたらした,細野プロジェクトの研究テーマの選択,研究の考え方,その進め方についても,本書から読み取って頂ければ幸いである。
(「はじめに」より抜粋)

2006年11月  監修を代表して 平野正浩


<普及版の刊行にあたって>

 本書は2006年に『透明酸化物機能材料とその応用』として刊行されました。普及版の刊行にあたり,内容は当時のままであり加筆・訂正などの手は加えておりませんので,ご了承ください。

2011年6月  シーエムシー出版 編集部

著者一覧

監修者
細野秀雄   (現)東京工業大学 フロンティア研究センター&応用セラミックス研究所 教授
平野正浩   (現)東京工業大学 フロンティア研究機構 客員教授;(独)科学技術振興機構 研究開発戦略センター フェロー

執筆者
神谷利夫   東京工業大学 応用セラミックス研究所 助教授;(独)科学技術振興機構 ERATO‐SORST グループリーダー
柳  博    東京工業大学 応用セラミックス研究所 助手
        (現)山梨大学 大学院医学工学総合研究部 准教授
太田裕道   (現)名古屋大学 工学研究科 准教授
野村研二   (現)東京工業大学 フロンティア研究機構 特任准教授
平松秀典   (独)科学技術振興機構 ERATO‐SORST 研究員
神原陽一   (独)科学技術振興機構 ERATO‐SORST 研究員
        (現)慶應義塾大学 理工学部 物理情報工学科 専任講師
雲見日出也  キヤノン(株) 先端融合研究所 プロジェクトチーフ
伊藤 学   (現)凸版印刷(株) 総合研究所 ディスプレイ研究室 課長
蔵重和央   日立化成工業(株) 機能性材料研究所 結晶材料グループ 専任研究員
林 克郎   東京工業大学 フロンティア創造共同研究センター 助手
        (現)東京工業大学 応用セラミックス研究所 准教授
金 聖雄   (現)東京工業大学 フロンティア研究機構 特任准教授
松石 聡   (現)東京工業大学 応用セラミックス研究所 助教
戸田喜丈   (現)東京工業大学 フロンティア研究機構 研究員
小野円佳   (現)旭硝子(株) 中央研究所 主席研究員
ウエブスター暁  旭硝子(株) 中央研究所 研究員
伊藤節郎   旭硝子(株) 中央研究所 特別研究員
        (現)東京工業大学 応用セラミックス研究所 特任教授
宮川 仁   東京工業大学 フロンティア創造共同研究センター 研究員
梶原浩一   (独)科学技術振興機構 ERATO‐SORST 研究員
        (現)首都大学東京 大学院都市環境科学研究科 分子応用化学域 准教授
Linards Skuja  (独)科学技術振興機構 ERATO‐SORST 客員研究員;ラトビア大学 固体物理研究所 教授
大登正敬   昭和電線デバイステクノロジー(株) 光ワイヤリング開発部 主査
斎藤 全   (現)北見工業大学 電気電子工学科 助教
菊川信也   旭硝子(株) 半導体プロセス部材事業部 リソグラフィープロセス部 統括主幹
生田順亮   (現)旭硝子(株) 中央研究所 PMEプロジェクトリーダー
河村賢一   (独)科学技術振興機構 ERATO‐SORST 研究員
黒堀利夫   (現)金沢大学 大学院自然科学研究科 教授

執筆者の所属表記は,注記以外は2006年当時のものを使用しております。

目次

序論
1. 本書の内容
2. 背景と意義
3. 我々のアプローチ
4. 透明導電性酸化物から開けた新しいフロンティア:透明酸化物半導体
5. 12CaO・7Al2O3のナノ構造と活性アニオンを活用した機能開拓
6. これからの課題

【第I編 透明酸化物半導体】
第1章 透明酸化物の電子構造概論
1. 電子構造と材料設計
2. 固体の電子構造:バンドギャップと光、電気物性
3. バンドギャップの成因
4. 固体の電子構造:シリコンを例に
5. もう一度絶縁体、半導体、金属:教科書と実際
6. 半導体中の光吸収:透明とはどういうことか
7. 高い電気伝導性、高性能デバイス材料とはどういうことか:有効質量、移動度、キャリアー密度
8. 良い導電体、半導体を作るためには
9. もう一度酸化物の電子構造:共有結合性半導体との違い
10. 高移動度酸化物の設計
11. 固体の電子構造を表すパラメーター
12. 酸化物半導体のバンドアライメント:ドーピングの問題
13. 酸化物では電子が動きやすく、正孔が動きにくい:なぜ透明酸化物ではp型半導体がなかったか
14. n型酸化物でシリコンを超える

第2章 透明p型導電性酸化物とpn接合デバイス
1. 透明p型導電性酸化物
1.1 はじめに
1.2 材料設計
1.2.1 構成元素の選択
1.2.2 結晶構造の選択
1.3 透明酸化物におけるp型伝導
1.3.1 Cu系デラフォサイト型酸化物
1.3.2 SrCu2O2
1.4 デラフォサイト型酸化物のn型化と両極性伝導の実現
1.5 デラフォサイト型酸化物の電子状態

2. 薄膜成長
2.1 はじめに
2.2 反応性固相エピタキシャル成長法
2.3 ホモロガス相InGaO3(ZnO)m(m=自然数)
2.4 層状コバルト酸化物
2.5 おわりに

3. pn接合デバイス
3.1 はじめに
3.2 透明酸化物エピタキシャル薄膜デバイス用単結晶ITO透明電極
3.3 p-SrCu2O2/n-ZnOヘテロ接合紫外発光ダイオード
3.4 p-NiO/n-ZnO透明紫外線センサー
3.5 おわりに

4. 酸化物半導体を用いた電界効果型トランジスタ
4.1 はじめに
4.2 透明トランジスタ
4.3 ホモロガス化合物酸化物半導体InGaO3(ZnO)m(m=自然数)
4.4 InGaO3(ZnO)5のキャリア輸送機構
4.5 高性能透明FET

第3章 層状化合物
1. はじめに
2. オキシカルコゲナイド
2.1 エピタキシャル成長
2.2 光物性
2.2.1 室温で安定な励起子と2次元的な電子構造
2.2.2 光学非線形性および励起子間相互作用
2.3 電子物性
2.3.1 正孔輸送特性
2.3.2 透明p型縮退伝導
2.4 発光ダイオード
3. オキシプニクタイド
3.1 はじめに
3.2 オキシプニクタイドの結晶構造と電気的磁気的性質
3.3 超伝導化合物LaFeOP
3.3.1 サンプル合成及び物性測定
3.3.2 LaFeOP及び不純物置換体の超伝導物性
3.3.3 超伝導体としてのLaFeOPの特徴
4. おわりに

【第II編 アモルファス酸化物半導体】
第1章 アモルファス半導体とフレキシブルデバイス
1. アモルファス半導体の歩みとデバイス応用
2. 透明イオン性アモルファス酸化物半導体
3. イオン性アモルファス酸化物半導体の特徴

第2章 フレキシブルエレクトロニクスとアモルファス半導体
1. はじめに
2. TFT応用へ向けたアモルファス酸化物半導体の材料探索指針:In-Ga-Zn-O(IGZO)三元系
3. a-IGZOの構造
4. a-IGZOのキャリア輸送特性
5. 透明フレキシブルTFT
6. おわりに

第3章 p型アモルファス酸化物半導体と室温で形成したpn接合ダイオード
1. p型アモルファス酸化物半導体の設計指針
2. アモルファスxZnO・Rh2O3薄膜の作製と構造
3. アモルファスxZnO・Rh2O3の光・電気特性
4. アモルファスZnO・Rh2O3を使った全アモルファス酸化物pn接合の室温形成

第4章 アモルファス酸化物半導体TFTとそのOLED駆動素子への応用
1. 序説
2. AOS TFT 
2.1 スパッタ成膜によるAOS TFT
2.2 半導体材料
2.3 TFT構造、ゲート絶縁層材料、電極材料
2.4 パターニングプロセス
2.5 ポストデポジションアニール
2.6 安定性、信頼性、均一性
3. AOS TFTの回路
4. OLED駆動素子への応用
5. 跋語

第5章 透明アモルファス酸化物半導体の電子ペーパーへの応用
1. はじめに
2. 電子ペーパー
2.1 電子ペーパーとは
2.2 マイクロカプセル型電気泳動方式のE Ink電子ペーパー
2.3 電子ペーパーのフレキシブル化
3. アモルファス酸化物半導体の電子ペーパーへの応用
3.1 PEN基板上への酸化物TFTアレイの試作例
3.2 E Ink電子ペーパーの駆動
4. コスト削減への取り組み―印刷法の適用―
5. まとめ

【第III編 ナノポーラス複合酸化物12CaO・7Al2O3】
第1章 ナノポーラス結晶C12A7とガラスの特徴

第2章 CZ法によるC12A7単結晶の育成
1. はじめに
2. 検討方法
3. 評価方法
4. CZ法による単結晶育成結果
5. 評価結果
6. 今後の課題

第3章 酸素ラジカル包接C12A7
1. 活性種としての酸素イオン、O2-
2. 活性酸素O-、O2-の包接
3. 真空中へのO-イオン発生

第4章 水素化物イオンの包接
1. H-イオンの生成と絶縁体-導電体変換
2. 絶縁体-導電体変換機構

第5章 エレクトライド 
1. エレクトライドの製法
1.1 はじめに
1.1.1 エレクトライドとは
1.1.2 ナノポーラスC12A7結晶からなるエレクトライド
1.2 製法
1.2.1 金属蒸気中での還元処理による合成
1.2.2 融液状態からの直接的合成
1.2.3 還元雰囲気での熱処理による合成
1.3 これからの課題

2. エレクトライドの基本特性
2.1 C12A7-フリー酸素=“エレクトライド”
2.2 エレクトライドの歴史
2.3 エレクトライドに包接された電子の状態
2.4 C12A7エレクトライドの電子物性
2.5 まとめ

3. エレクトライドの用途(1)電子源など
3.1 序論
3.2 電子放出とC12A7:e-の電子構造
3.3 C12A7:e-からの熱電界電子放出
3.4 C12A7:e-からの電界電子放出
3.5 これからの展開

4. エレクトライドの用途(2)冷電子発生とFED
4.1 Field Emission Display(FED)
4.2 FED用エミッタ材料としてのC12A7エレクトライド
4.3 粉末状のC12A7エレクトライド粉末エミッタ素子の作製
4.4 C12A7エレクトライド粉末エミッタ素子の電界電子放出特性
4.5 粉末エミッタ素子の電界電子放出特性の解析及び設計指針
4.6 C12A7エレクトライド粉末エミッタ素子の課題

第6章 イオン打ち込みによる活性アニオンの包接
1. はじめに
2. プロトンイオン打ち込み
3. 希ガスイオン打ち込み
4. 重金属イオン打ち込み
5. おわりに

【第IV編 シリカガラス】
第1章 シリカガラスの特徴と不思議
1. はじめに
2. 構造と主な特徴
3. シリカガラスの不思議

第2章 シリカガラスの光学特性
1. はじめに
2. シリカガラスの非化学量論性(化学的欠陥)
3. シリカガラスの歪Si-O-Si結合(物理的欠陥)
4. フッ素ドープシリカガラス(モディファイドシリカ)
5. SiOH基とF2レーザー光との相互作用
6. リンドープシリカガラスにおける構造変化

第3章 シリカガラスにおける原子・分子の包接・拡散・反応
1. はじめに
2. 格子間水素種
3. 格子間酸素種
4. 格子間水分子
5. 格子間窒素分子

第4章 深紫外透明光ファイバー
1. はじめに
2. フッ素ドープシリカファイバーの作製方法ならびに諸特性
2.1 フッ素ドープシリカファイバーの構造
2.2 フッ素ドープシリカファイバーの透過特性
2.3 紫外レーザー照射に対する耐久性
2.4 水素処理と照射耐久性
2.5 フッ素ドープシリカファイバーの透過率改善
3. フッ素ドープファイバー応用製品
3.1 融着バンドル
3.2 真空チャンバー用ファイバー
3.3 コリメートレンズ付き分岐ファイバーユニット
3.4 先鋭化ファイバー
4. まとめ

第5章 パルスESEEMによるシリカガラス中の希土類イオンの配位構造
1. はじめに
2. パルスEPR-ESEEMを用いた中距離構造解析
3. 希土類イオン共ドープシリカガラス試料作製とその評価法
4. Ce3+ドープシリカガラス
4.1 Ce3+ドープシリカガラスの発光特性
4.2 パルスEPR-ESEEMを用いたCe3+周囲の配位構造
5. Er3+ドープシリカガラス
5.1 Er3+ドープシリカガラスの光学特性
5.2 シリカガラス中のEr3+の配位構造における共ドープイオンの役割

第6章 合成シリカガラスと露光機用レンズ材料
1. はじめに
2. 合成シリカガラスの光透過性
2.1 不純物による吸収損失
2.2 構造欠陥による吸収損失
2.3 ガラスの中長期構造の乱れによる散乱損失
3. 耐光性
3.1 透過率変化
3.2 密度変化
4. 合成シリカガラスの製造方法

【第V編 フェムト秒レーザーによる透明材料のナノ加工】
第1章 フェムト秒レーザーを用いた材料加工の特徴
1. 透明酸化物とレーザーとの相互作用:なぜレーザー励起か
2. フェムト秒レーザーによる材料加工
3. レーザーホログラムの特徴

第2章 フェムト秒干渉露光による周期ナノ構造の形成
1. フェムト秒レーザーシングルパルス干渉露光法
2. 表面レリーフ型マイクログレーティング
3. 光誘起構造変化を利用した屈折率分布型グレーティングの書き込み
4. 多重露光による試料表面への2次元周期ナノ構造の作製
5. 透明試料の内部への加工

第3章 微小光学素子への応用と材料加工メカニズム
1. 光導波路上へのマイクログレーティングの書き込み
2. LiF単結晶への光導波路と分布帰還型カラーセンターレーザーの作製
3. フェムト秒レーザーによる透明材料加工のメカニズム
3.1 光伝導による種電子生成の観測
3.2 プリパルス照射によるマイクログレーティングの書き込み閾値の抑制と、グレーティング形状の制御
4. おわりに
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