JP6712413B2 - 磁場下でのイオン輸送を利用する帯電状態の制御方法及びその用途 - Google Patents
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Description
本発明は、磁場下における電解質中でのイオン移動により電極表面の帯電状態を制御する方法に関するものである。さらに本発明は、この方法を用いて蓄電する装置や電子キャリア濃度を制御する磁界効果トランジスタにも関する。
現代生活において電気、及び電気を利用する科学技術は必要不可欠なものとなっている。例えば近年、電池やキャパシタに代表される様々な蓄電装置が利用されている。通常、こうした蓄電装置においては、化学、熱、光等のエネルギー源により供給される電場下での荷電粒子（電子やイオン）の輸送を用いて蓄電を行う。これは荷電粒子が輸送され電極界面や電極内において濃度差を生じ、それに伴い電極の帯電状態を変化せしめるために通常電場が必要なためである。よって、蓄電には一般に先述のようなエネルギー源が必要となる。また、情報通信機器に幅広く利用される電界効果トランジスタにおいても、半導体中の電子キャリア濃度を電場に誘起される電子輸送、蓄積に起因する帯電状態の変化で制御しているため、電場及びそれを供給するためのエネルギー源が必要となる。
一方、荷電粒子が電場だけでなく磁場でも輸送可能であることが知られている。特に磁場下でのイオン輸送についての最近の報告は、これを用いた帯電状態制御の可能性を示唆している（例えば、非特許文献１、２、及び３参照。）。磁場（磁気エネルギー）は小型磁石のみで与えることが出来るため可搬性が高く、これを用いた帯電状態の制御が可能になれば、利便性・汎用性の高い蓄電装置等への発展が期待される。蓄電装置を一例にすれば、太陽光のような光エネルギー、風力エネルギー等の供給源のない暗闇・無風状態でも蓄電出来る。特に高深度、水中、宇宙空間のような極限状態においても好適に利用することができる。また、情報通信技術に応用すれば、他の一例として磁界効果トランジスタが得られ、従来技術と全く異なる次世代技術への展開が期待される。
これまでに磁場を蓄電に用いようとする試みがなされている。例えば、非接触電力伝送では、電磁誘導によって蓄電する。この場合は電力を非接触で伝送する手段として磁場が使われているが、伝送される電力自体は磁場（磁気エネルギー）で蓄電したものではない（例えば、非特許文献４参照。）。また、電池の反応物を効率良く流動させるために磁性流体を利用している例もある。ここでは蓄電装置の動作の一部に磁場が関わっているが、磁場は撹拌に利用されているのであり、磁場（磁気エネルギー）で畜電しているのではない（例えば、非特許文献５参照。）。このように、磁場（磁気エネルギー）のみによって電力を生み出し蓄電するという課題は、未だ解決されていない。また、磁場を情報通信技術に用いようとする試みもなされている。これは磁気抵抗効果やスピントロニクスと呼ばれるが、いずれも磁場印加による磁気ベクトルやスピンの変化を利用するものであり、帯電状態、及び電子キャリア濃度を制御するものではない（例えば、非特許文献６参照。）。よって磁場によって電子キャリア濃度を制御するという課題もまた解決されておらず、磁界効果トランジスタと呼ぶべき技術は存在しない。
Ｉｎｏｒｇ．Ｃｈｅｍ．，４０，２２９８（２００１）
Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，３９２，４６０（２００４）
Ｃｈｅｍ．Ｌｅｔｔ．，３３，１２，１５９０（２００４）
ＩＥＥＥ Ｊ．，１２８，１２，７９６（２００８）
Ｎａｎｏ Ｌｅｔｔ．，１５，７３９４（２０１５）
Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．，６１，２４７２（１９８８）
上記の背景技術に鑑み、本発明の課題は、磁場を用いて電解質中でイオンを輸送させることで電子キャリア濃度を制御して帯電状態を制御する方法、及び装置を提供することにある。
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、磁性を有するアニオン及び／又はカチオンを有する電解質材料、一対の電極、並びに磁石を組み合わせることで、上記課題が効果的に解決されることを見い出し、本発明を完成するに至った。
すなわち本発明の一側面は、
［１］電解質材料を構成するアニオン及びカチオンの少なくとも一方が磁性を有する電解質材料、前記電解質材料を挟んで配置された電極１、及び電極２、並びに磁石を設けた装置であって、前記磁石からの磁界を制御することで、電極１及び／又は電極２の表面の帯電状態を制御する装置、である。
当該装置は、可変電気抵抗素子としても機能する。
当該装置を構成する電解質材料は、磁性を有するアニオン及び／又はカチオンを有することで、磁場によるイオンの輸送が可能である。
すなわち本発明の一側面は、
［１］電解質材料を構成するアニオン及びカチオンの少なくとも一方が磁性を有する電解質材料、前記電解質材料を挟んで配置された電極１、及び電極２、並びに磁石を設けた装置であって、前記磁石からの磁界を制御することで、電極１及び／又は電極２の表面の帯電状態を制御する装置、である。
当該装置は、可変電気抵抗素子としても機能する。
当該装置を構成する電解質材料は、磁性を有するアニオン及び／又はカチオンを有することで、磁場によるイオンの輸送が可能である。
また、以下［２］から［１８］は、いずれも本発明の好ましい一形態、又は一態様である。
［２］
蓄電装置である、［１］に記載の装置。
［３］
磁界効果トランジスタである、［１］に記載の装置。
［４］
前記電極１又は前記電極２に前記磁石を近づけることによって前記アニオン及びカチオンの少なくとも一方を輸送させ、前記電極１と前期電極２の間に電圧を生じる［１］に記載の装置。
［５］
前記アニオン及びカチオンの少なくとも一方の、前記電極１若しくは電極２側への移動、又は前記電極１若しくは前記電極２内への挿入によって、前記電極１及び電極２に電子及び正孔が生成され、それに伴って放電可能な電力が与えられる、［２］に記載の蓄電装置。
［６］
前記電解質材料が、液体電解質又は固体電解質を含む、［１］から［５］のいずれか一項に記載の装置。
［７］
前記液体電解質が、塩化鉄イオン（ＦｅＣｌ４ -）、及び硫酸銅（ＣｕＳＯ４）からなる群より選ばれる少なくとも一つを含む、［６］に記載の装置。
［８］
前記電解質材料が、可動イオンを有する高分子化合物を含む、［６］に記載の装置。
［９］
前記高分子化合物が、ポリエチレンオキシドである、［８］に記載の装置。
［１０］
前記電解質材料が、可動イオンを有する金属酸化物を含む、［６］に記載の装置。
［１１］
前記金属酸化物が、ケイ酸(ＳｉＯ２)、酸化タンタル(Ｔａ２Ｏ５)を含む、［１０］に記載の装置。
［１２］
前記電極１が、電子伝導性を有する金属、及び半導体からなる群から選択される少なくとも一つを含む、［１］から［１１］のいずれか一項に記載の装置。
［１３］
前記金属、又は半導体が、磁場下でイオンとの化学反応が可能な活性物質を含む、［１２］に記載の装置。
［１４］
前記金属、又は半導体が、磁場下でイオン輸送が可能な電解質を含み、前記電解質内及び／又は前記電極２内のイオンが移動して前記電極１内に挿入される、［１２］に記載の装置。
［１５］
前記電極２が、電子伝導性を有する金属、及び半導体からなる群から選択される少なくとも一つを含む、［１］から［１１］のいずれか一項に記載の装置。
［１６］
前記金属、又は半導体が、磁場下でイオンとの化学反応が可能な活性物質を含む、［１５］に記載の装置。
［１７］
前記金属、又は半導体が、磁場下でイオン輸送が可能な電解質を含み、前記電解質内及び／又は前記電極１内のイオンが移動して前記電極２内に挿入される、［１５］に記載の装置。
［１８］
前記磁石が、永久磁石又は電磁石である、［１］から［１７］のいずれか一項に記載の装置。
［２］
蓄電装置である、［１］に記載の装置。
［３］
磁界効果トランジスタである、［１］に記載の装置。
［４］
前記電極１又は前記電極２に前記磁石を近づけることによって前記アニオン及びカチオンの少なくとも一方を輸送させ、前記電極１と前期電極２の間に電圧を生じる［１］に記載の装置。
［５］
前記アニオン及びカチオンの少なくとも一方の、前記電極１若しくは電極２側への移動、又は前記電極１若しくは前記電極２内への挿入によって、前記電極１及び電極２に電子及び正孔が生成され、それに伴って放電可能な電力が与えられる、［２］に記載の蓄電装置。
［６］
前記電解質材料が、液体電解質又は固体電解質を含む、［１］から［５］のいずれか一項に記載の装置。
［７］
前記液体電解質が、塩化鉄イオン（ＦｅＣｌ４ -）、及び硫酸銅（ＣｕＳＯ４）からなる群より選ばれる少なくとも一つを含む、［６］に記載の装置。
［８］
前記電解質材料が、可動イオンを有する高分子化合物を含む、［６］に記載の装置。
［９］
前記高分子化合物が、ポリエチレンオキシドである、［８］に記載の装置。
［１０］
前記電解質材料が、可動イオンを有する金属酸化物を含む、［６］に記載の装置。
［１１］
前記金属酸化物が、ケイ酸(ＳｉＯ２)、酸化タンタル(Ｔａ２Ｏ５)を含む、［１０］に記載の装置。
［１２］
前記電極１が、電子伝導性を有する金属、及び半導体からなる群から選択される少なくとも一つを含む、［１］から［１１］のいずれか一項に記載の装置。
［１３］
前記金属、又は半導体が、磁場下でイオンとの化学反応が可能な活性物質を含む、［１２］に記載の装置。
［１４］
前記金属、又は半導体が、磁場下でイオン輸送が可能な電解質を含み、前記電解質内及び／又は前記電極２内のイオンが移動して前記電極１内に挿入される、［１２］に記載の装置。
［１５］
前記電極２が、電子伝導性を有する金属、及び半導体からなる群から選択される少なくとも一つを含む、［１］から［１１］のいずれか一項に記載の装置。
［１６］
前記金属、又は半導体が、磁場下でイオンとの化学反応が可能な活性物質を含む、［１５］に記載の装置。
［１７］
前記金属、又は半導体が、磁場下でイオン輸送が可能な電解質を含み、前記電解質内及び／又は前記電極１内のイオンが移動して前記電極２内に挿入される、［１５］に記載の装置。
［１８］
前記磁石が、永久磁石又は電磁石である、［１］から［１７］のいずれか一項に記載の装置。
本発明の他の一側面は、
［１９］
電解質材料を構成するアニオン及びカチオンの少なくとも一方が磁性を有する電解質材料、並びに前記電解質材料を挟んで配置された電極１、及び電極２、に印加する磁界を制御することで、電極１及び／又は電極２の表面の帯電状態を制御する方法、である。
また、以下［２０］及び［２１］も、いずれも本発明の好ましい一形態、又は一態様である。
［２０］
［１９］に記載の方法を用いる、蓄電装置。
［２１］
［１９］に記載の方法を用いる、磁界効果トランジスタ。
［１９］
電解質材料を構成するアニオン及びカチオンの少なくとも一方が磁性を有する電解質材料、並びに前記電解質材料を挟んで配置された電極１、及び電極２、に印加する磁界を制御することで、電極１及び／又は電極２の表面の帯電状態を制御する方法、である。
また、以下［２０］及び［２１］も、いずれも本発明の好ましい一形態、又は一態様である。
［２０］
［１９］に記載の方法を用いる、蓄電装置。
［２１］
［１９］に記載の方法を用いる、磁界効果トランジスタ。
本発明によれば、電解質材料、及び電極１、２への磁場印加によってイオンが輸送され、その効果により、装置を蓄電し放電可能な状態に変化させることが可能である。この原理を利用した蓄電装置を用いれば、磁気エネルギーを用いて蓄電するため、化学、熱、光等のエネルギー源が不要となる。他のエネルギー源の確保が難しい環境で動作させる場合に特に有利である。
また、この原理を利用した電気素子を作製すれば、磁界効果トランジスタとして用いることが出来る。これにより、新しい情報通信機器への展開が期待されるのみならず、新たな磁場の測定手法として用いることも出来る。
また、この原理を利用した電気素子を作製すれば、磁界効果トランジスタとして用いることが出来る。これにより、新しい情報通信機器への展開が期待されるのみならず、新たな磁場の測定手法として用いることも出来る。
本発明の一実施形態として、磁場下でイオンが伝導できる電解質材料と、前記電解質材料を挟む電極１及び電極２とを設け、さらに磁場を印加するための磁石を加えた蓄電装置が提供される。磁場下でイオンが伝導できる電解質材料は、該電解質材料を構成するアニオン及びカチオンの少なくとも一方が磁性を有し、当該アニオン及びカチオンの少なくとも一方が磁場により移動することにより、磁場下でのイオン伝導が実現される。
また、前記電極１、もしくは前記電極２の側から前記磁石を近づけて磁場を印加することによって、前記電解質材料内のイオン（前記アニオン及びカチオンの少なくとも一方）が移動して前記電解質内、もしくは前記電極１、２内でイオン濃度に偏りができるようにすることで、電極１及び／又は電極２の表面の帯電状態を制御してもよい。
また、前記電極１、もしくは前記電極２の側から前記磁石を近づけて磁場を印加することによって、前記電解質材料内のイオン（前記アニオン及びカチオンの少なくとも一方）が移動して前記電解質内、もしくは前記電極１、２内でイオン濃度に偏りができるようにすることで、電極１及び／又は電極２の表面の帯電状態を制御してもよい。
また、前記アニオン及びカチオンの少なくとも一方の分布の偏りによって前記電極１内及び電極２内に電子キャリアが蓄積され、それに伴って放電可能な電力が与えられていてもよい。
［電解質材料］
前記電解質材料は、液体電解質又は固体電解質を少なくとも一つを含んでいてもよい。
また、ここで液体電解質は純水、その他の溶媒で希釈されていてもよい。液体電解質が希釈されることで、磁界を印加したときのイオンの濃度差が生じ易くなり、起電力を増加させることができる。
更に、前記電解質材料は構成要素として塩化鉄イオン（ＦｅＣｌ４ -）、及び硫酸銅（ＣｕＳＯ４）からなる群から選ばれる少なくとも一つを含んでいてもよく、特に塩化鉄イオン（ＦｅＣｌ４ -）を含むことが好ましい。これは塩化鉄イオン（ＦｅＣｌ４ -）の磁場下での特に高い輸送特性による。
また、前記電解質材料は可動イオンを有する高分子化合物を含んでいてもよい。
更に、前記高分子化合物はポリエチレンオキシドを含んでいてもよい。
また、前記電解質材料は金属酸化物を含んでいてもよい。
更に、前記電極１は磁気特性（常磁性、強磁性、反磁性、反強磁性、超常磁性）を問わず電子伝導性を有する金属（金、アルミニウム、鉄）、半導体を用いてもよい。
また、前記電極１は磁場下でイオンとの化学反応が可能な活性物質を含んでいてもよい。
更に、前記活性物質はアルミニウム、鉄からなる群れから選択された少なくとも一つからなっていてもよい。
前記電解質材料は、液体電解質又は固体電解質を少なくとも一つを含んでいてもよい。
また、ここで液体電解質は純水、その他の溶媒で希釈されていてもよい。液体電解質が希釈されることで、磁界を印加したときのイオンの濃度差が生じ易くなり、起電力を増加させることができる。
更に、前記電解質材料は構成要素として塩化鉄イオン（ＦｅＣｌ４ -）、及び硫酸銅（ＣｕＳＯ４）からなる群から選ばれる少なくとも一つを含んでいてもよく、特に塩化鉄イオン（ＦｅＣｌ４ -）を含むことが好ましい。これは塩化鉄イオン（ＦｅＣｌ４ -）の磁場下での特に高い輸送特性による。
また、前記電解質材料は可動イオンを有する高分子化合物を含んでいてもよい。
更に、前記高分子化合物はポリエチレンオキシドを含んでいてもよい。
また、前記電解質材料は金属酸化物を含んでいてもよい。
更に、前記電極１は磁気特性（常磁性、強磁性、反磁性、反強磁性、超常磁性）を問わず電子伝導性を有する金属（金、アルミニウム、鉄）、半導体を用いてもよい。
また、前記電極１は磁場下でイオンとの化学反応が可能な活性物質を含んでいてもよい。
更に、前記活性物質はアルミニウム、鉄からなる群れから選択された少なくとも一つからなっていてもよい。
［電極］
前記電極１は磁場下でイオン輸送が可能な電解質を含んでよく、前記電解質材料内及び前記電極２内のイオンが移動して前記電極１内に挿入されるようにしてもよい。
また、前記電極２は磁気特性（常磁性、強磁性、反磁性、反強磁性、超常磁性）を問わず電子伝導性を有する金属、半導体を用いてよい。
更に、前記電極２は磁場下でイオンとの化学反応が可能な活性物質を含んでよい。
また、前記活性物質はアルミニウム、鉄からなる群れから選択された少なくとも一つからなってよい。
また、前記電極２は磁場下でイオン輸送が可能な電解質を含んでよく、前記電解質材料内及び前記電極１内のイオンが移動して前記電極２内に挿入されるようにしてよい。
前記電極１は磁場下でイオン輸送が可能な電解質を含んでよく、前記電解質材料内及び前記電極２内のイオンが移動して前記電極１内に挿入されるようにしてもよい。
また、前記電極２は磁気特性（常磁性、強磁性、反磁性、反強磁性、超常磁性）を問わず電子伝導性を有する金属、半導体を用いてよい。
更に、前記電極２は磁場下でイオンとの化学反応が可能な活性物質を含んでよい。
また、前記活性物質はアルミニウム、鉄からなる群れから選択された少なくとも一つからなってよい。
また、前記電極２は磁場下でイオン輸送が可能な電解質を含んでよく、前記電解質材料内及び前記電極１内のイオンが移動して前記電極２内に挿入されるようにしてよい。
［磁石］
前記磁石は永久磁石、電磁石からなる群れから選択された少なくとも一つからなっていてもよい。
外部からのエネルギー供給を必要とせずに磁界を発生させることができる点では、永久磁石が好ましく、例えばフェライト磁石等の汎用磁石や、サマリウムコバルト磁石又はネオジム磁石等の希土類磁石等から適宜選択することができる。高強度の磁界を発生できる点で、希土類磁石が特に好ましい。
磁界の強度等の制御が容易である点では、電磁石が好ましい。常電導磁石ないし超電導磁石のいずれでも使用可能であるが、高強度の磁場を印加する場合には、磁場強度のコントロール性と安定性の両方を兼ね備えた超電導磁石が好適に用いられる。
前記磁石は永久磁石、電磁石からなる群れから選択された少なくとも一つからなっていてもよい。
外部からのエネルギー供給を必要とせずに磁界を発生させることができる点では、永久磁石が好ましく、例えばフェライト磁石等の汎用磁石や、サマリウムコバルト磁石又はネオジム磁石等の希土類磁石等から適宜選択することができる。高強度の磁界を発生できる点で、希土類磁石が特に好ましい。
磁界の強度等の制御が容易である点では、電磁石が好ましい。常電導磁石ないし超電導磁石のいずれでも使用可能であるが、高強度の磁場を印加する場合には、磁場強度のコントロール性と安定性の両方を兼ね備えた超電導磁石が好適に用いられる。
[素子の構造]
本発明の一実施形態によれば、２端子の電極構造を有する素子が提供される。図１に模式図で示すように、イオン１、イオン２、溶媒３が移動出来る電解質材料２を電極１（５）と電極２（６）で挟んだ積層構造によって素子を形成する。磁石７による磁場の印加による電極表面での帯電状態制御効果を電極１（５）と電極２（６）の間の電圧（起電力）として測定可能である。
本発明の一実施形態によれば、２端子の電極構造を有する素子が提供される。図１に模式図で示すように、イオン１、イオン２、溶媒３が移動出来る電解質材料２を電極１（５）と電極２（６）で挟んだ積層構造によって素子を形成する。磁石７による磁場の印加による電極表面での帯電状態制御効果を電極１（５）と電極２（６）の間の電圧（起電力）として測定可能である。
また、本発明の他の態様によれば、上述の帯電状態制御構造をその一部として利用した、２端子の電極構造を有する可変電気抵抗素子が与えられる。この可変電気抵抗素子では、図２に模式図で示すように、イオン１、イオン２、溶媒３が移動出来る電解質材料２と半導体８、及びそれを挟む電極１（９）、電極２（１０）とが接する構造によって素子を形成する。この素子では、磁場によるイオン移動を用いて半導体８を流れる電流を制御することができる。
なお、図１及び以降の模式図は本発明の実施形態である２端子素子の構造、あるいは本発明の特性を調べるために作成した２端子素子の構造、を概念的に示すものであるため、実際の構造がこれらの図に示す構造と完全に相似形となることが必要とされるわけではないし、またこれらの図には明示されていない要素を追加したり、同等な別の要素で置換することもできる。
電解質材料としては、例えば、液体電解質である１−ブチルー３−メチルイミダゾリウム＝テトラクロロフェラート（ＩＩＩ）（［ｂｍｉｍ］ＦｅＣｌ４）の純水希釈溶液を用いることができる。この液体電解質の濃度は８０％以下程度が好ましく、特に２０〜５０％の範囲が好ましい。電解質材料としては［ｂｍｉｍ］ＦｅＣｌ４の純水希釈溶液以外も使用可能であり、具体的には、濃厚硫酸銅（ＣｕＳＯ４）溶液、ＦｅＣｌ３を含む濃厚塩酸溶液等の液体電解質を使用できる。また、電解質材料には電解質以外に各種の添加物を加えることもできる。また、電解質の材料としては他に固体電解質、高分子化合物、及び金属酸化物も使用可能である。
前記電極１としては、例えば金を用いることができる。この金は電解質との化学反応について比較的不活性であるので、安定性、耐久性に優れた装置を実現することができる。これ以外にも例えばアルミニウム、鉄等の金属も使用可能である。金属に加えて半導体を使用することも出来る。厚さは例えば０．５ｍｍを用いることができるが、０．１〜０．５ｍｍ程度の範囲内の厚さが好ましい。
前記電極２としては、例えば金を用いた。この金は電解質との化学反応について比較的不活性であるので、安定性、耐久性に優れた装置を実現することができる。これ以外にも例えばアルミニウム、鉄等の金属も使用可能である。金属に加えて半導体を使用することも出来る。厚さは例えば０．５ｍｍを用いることができるが、０．１〜０．５ｍｍ程度の範囲内の厚さが好ましい。
[蓄電装置の動作]
図３を参照しながら、金を用いた電極１（５）、２（６）、［ｂｍｉｍ］ＦｅＣｌ４である液体電解質２および小型ネオジム永久磁石である磁石７を使用した場合の本発明の一形態である動的に蓄電可能な蓄電装置の動作を説明する。図３には、図１に示す２端子素子において、電極２（６）の側から磁石７を用いて磁場を印加することによって、電極１（５）と電極２（６）の間の電圧（起電力）を変化させることが可能であることを示している。なお、ここでの電圧は電極２（６）の電位を基準にして測定される電極１（５）の電位と等しい。
図３を参照しながら、金を用いた電極１（５）、２（６）、［ｂｍｉｍ］ＦｅＣｌ４である液体電解質２および小型ネオジム永久磁石である磁石７を使用した場合の本発明の一形態である動的に蓄電可能な蓄電装置の動作を説明する。図３には、図１に示す２端子素子において、電極２（６）の側から磁石７を用いて磁場を印加することによって、電極１（５）と電極２（６）の間の電圧（起電力）を変化させることが可能であることを示している。なお、ここでの電圧は電極２（６）の電位を基準にして測定される電極１（５）の電位と等しい。
図３に示す装置の作製時の状態では、図１に示す様に、電解質材料２内にイオン１、イオン２、溶媒３が均一に分布している。次に、この作製時の状態の装置に、電極２（６）側から磁石７を近づけ磁場を印加すると、電解質材料２内の負の電荷を有するイオン１は、電極２（６）と電解質材料２の界面（以下、電極２側界面と称する。また、電極１（５）と電解質材料２の界面を電極２側界面と称する）付近に移動し、濃化する。このとき、負の極性のイオン１の濃化により液体電解質内に電場が生じ、正の極性のイオン２も電極２側界面に濃化する。この濃化により電極２側界面近傍での電解質材料２の電位が変調されるため、当該電極２（６）には負の電荷ｅ−（負の極性の伝導キャリア１１）が蓄積される。一方、対向する電極１（５）においてはイオン１、イオン２が減少して溶媒４が多く残される希薄化が起こる。この希薄化により電極１側界面近傍での電解質材料２の電位が変調されるため、、当該電極１（５）には正の電荷ｈ+（正の極性の伝導キャリア１２）が蓄積される。この時の素子状態を図３に示す。
この状態は平行極板キャパシタに蓄電したのと類似の状態であるので、電極１（５）と電極２（６）との間に、電極１（５）を正の極性とした電圧（以下、Ｖで表し、電極１（５）側の電圧を電圧の極性とする。）が起電力として生じる。このＶは磁石が生じる磁場や電解質におけるイオン伝導度、イオン輸率によって変化する。磁場は１００ｍＴ以上が好ましい。印加時間は数秒〜１０００秒程度が好ましい。
この状態は平行極板キャパシタに蓄電したのと類似の状態であるので、電極１（５）と電極２（６）との間に、電極１（５）を正の極性とした電圧（以下、Ｖで表し、電極１（５）側の電圧を電圧の極性とする。）が起電力として生じる。このＶは磁石が生じる磁場や電解質におけるイオン伝導度、イオン輸率によって変化する。磁場は１００ｍＴ以上が好ましい。印加時間は数秒〜１０００秒程度が好ましい。
本装置で生じた起電力は磁場の持つ磁気エネルギーによるものなので磁場を除去すれば失われてしまうが、磁場を保持したままであれば蓄電した電力を放電することが出来る。放電に従い電極に蓄えられた正及び負の電荷は徐々に失われ、やがて放電が完了する。完全放電後も磁場を印加し直すことで再び蓄電することが出来る。
[可変電気抵抗素子の動作]
図４を参照しながら、半導体８として水素終端ダイヤモンドを、電極１（９）、２（１０）として金を用い、［ｂｍｉｍ］ＦｅＣｌ４である液体電解質および小型ネオジム永久磁石である磁石７を使用した場合の本発明の動的に制御可能な可変電気抵抗素子の動作を説明する。
図４には、図２に示す２端子素子において、半導体８の側から磁石７を用いて磁場を印加することによって、電極１（９）と電極２（１０）の間の電流を変化させること、いわゆるスイッチング機能を発揮させることが可能であることを示している。
すなわち、この可変電気抵抗素子は、磁界で静電的、あるいは電気化学的に誘起される電子キャリア濃度の変調を用いたトランジスタでもあり、磁界効果トランジスタと呼ぶこともできる。
図４を参照しながら、半導体８として水素終端ダイヤモンドを、電極１（９）、２（１０）として金を用い、［ｂｍｉｍ］ＦｅＣｌ４である液体電解質および小型ネオジム永久磁石である磁石７を使用した場合の本発明の動的に制御可能な可変電気抵抗素子の動作を説明する。
図４には、図２に示す２端子素子において、半導体８の側から磁石７を用いて磁場を印加することによって、電極１（９）と電極２（１０）の間の電流を変化させること、いわゆるスイッチング機能を発揮させることが可能であることを示している。
すなわち、この可変電気抵抗素子は、磁界で静電的、あるいは電気化学的に誘起される電子キャリア濃度の変調を用いたトランジスタでもあり、磁界効果トランジスタと呼ぶこともできる。
図４に示す素子の作製時の状態では、図２に示す様に、電解質材料２内にイオン１、イオン２、溶媒３が均一に分布している。次に、この作製時の状態の素子に、半導体８側から磁石７を近づけ磁場を印加すると、電解質材料２内の負の電荷を有するイオン１は、半導体８と電解質材料２の界面（以下、半導体８側界面と称する。）付近に移動し、濃化する。このとき、負の極性のイオン１の濃化により液体電解質内に電場が生じ、正の極性のイオン２も半導体８側界面に濃化する。この濃化により半導体８側界面近傍での電解質材料２の電位が変調されるため、当該半導体８には負の電荷ｅ−（負の極性の伝導キャリア１１）が蓄積される。この時の素子状態を図４に示す。逆に、半導体８の逆側から磁石７を用いて磁場を印加すると、半導体８側界面においてイオン１、イオン２が減少して溶媒４が多く残される希薄化が起こる。この希薄化により半導体８側界面近傍での電解質材料２の電位が変調されるため、、半導体８には正の電荷ｈ+（正の極性の伝導キャリア１２）が蓄積される。
この状態は誘電体を用いた電界効果トランジスタにおいて電子キャリア濃度を制御したのと類似の状態であるので、電極１（９）と電極２（１０）との間に一定の電圧を印加しておけば、ここを流れる電流の変化が生じる。この電流変化は磁石が生じる磁場や電解質におけるイオン伝導度、イオン輸率によって変化する。磁場は１００ｍＴ以上が好ましい。印加時間は数秒〜１０００秒程度が好ましい。
この状態は誘電体を用いた電界効果トランジスタにおいて電子キャリア濃度を制御したのと類似の状態であるので、電極１（９）と電極２（１０）との間に一定の電圧を印加しておけば、ここを流れる電流の変化が生じる。この電流変化は磁石が生じる磁場や電解質におけるイオン伝導度、イオン輸率によって変化する。磁場は１００ｍＴ以上が好ましい。印加時間は数秒〜１０００秒程度が好ましい。
以下、実施例を参照しながら本発明をさらに詳細に説明する。なお、本発明はいかなる意味においても以下の実施例によって限定されるものではない。
[実施例１]
図３に、本発明の一実施例である、蓄電を可能にする装置（蓄電装置）の模式図を示す。電極としては様々な電子伝導性材料を用いることが出来るが、ここでは金を用いた。また、電解質には磁場によってイオン輸送が起こる液体及び固体電解質を用いることが出来るが、ここでは液体電解質である１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムテトラクロロフェラート（Ｃ８Ｈ１５Ｃｌ４ＦｅＮ２、以降では［ｂｍｉｍ］ＦｅＣｌ４とも称す）、及びそれを純水で希釈したものを用いた。
図３に、本発明の一実施例である、蓄電を可能にする装置（蓄電装置）の模式図を示す。電極としては様々な電子伝導性材料を用いることが出来るが、ここでは金を用いた。また、電解質には磁場によってイオン輸送が起こる液体及び固体電解質を用いることが出来るが、ここでは液体電解質である１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムテトラクロロフェラート（Ｃ８Ｈ１５Ｃｌ４ＦｅＮ２、以降では［ｂｍｉｍ］ＦｅＣｌ４とも称す）、及びそれを純水で希釈したものを用いた。
小型ネオジム永久磁石（磁束密度：４８０ｍＴ）を一方の金電極に近づけ、再び遠ざけた際の両電極間に生じた起電力変化を図５に示す。８０％希釈［ｂｍｉｍ］ＦｅＣｌ４水溶液を用いた場合、３０ｍＶ程の起電力が可逆的に生じることがわかる。これは、磁場下でのＦｅＣｌ４ −イオン移動とそれに伴って起きる［ｂｍｉｍ］＋イオンの移動により両電極付近でのＦｅＣｌ４ −イオンと［ｂｍｉｍ］＋イオンの濃度に差が付くためである。一方、純粋な［ｂｍｉｍ］ＦｅＣｌ４を用いた場合には、イオンが移動しても［ｂｍｉｍ］ＦｅＣｌ４の濃度にほとんど差が付かないため起電力を生じない。すなわち、本実施例での起電力はＦｅＣｌ４ −イオンと［ｂｍｉｍ］＋イオンの濃度に差が付くことにより、電極近傍で起こる静電的な蓄電に由来している。
次にこのようにして生じた起電力の［ｂｍｉｍ］ＦｅＣｌ４濃度依存性を図６に示す。［ｂｍｉｍ］ＦｅＣｌ４を希釈するに従い起電力は１００ｍＶを超えるまでに大きくなっている。これは、［ｂｍｉｍ］ＦｅＣｌ４を希釈する程に、磁場下でイオンが遠ざかる電極側でのＦｅＣｌ４ −イオンと［ｂｍｉｍ］＋イオンの濃度が薄まるため、両電極付近でのＦｅＣｌ４ −イオンと［ｂｍｉｍ］＋イオンの濃度に差が付きやすくなるためである。生じた起電力の磁場依存性を図７に示す。３００ ｍＴ以上の磁場では大きな起電力を示したが１００ｍＴ付近で急激に低下しており、電極近傍での蓄電に１００〜３００ｍＴ程の磁場が必要であることを示唆している。図８に磁場４８０ｍＴで測定した出力特性を示す。蓄電装置としては典型的な山型の出力変化を示し、最大約１．２μＷが得られた。
このような蓄電装置には別の電極材料を用いることも出来る。例えば、図２の装置で両方の電極のみを金よりも化学的に活性なアルミニウムに代えた場合も、同様の蓄電挙動を示す。図９に小型ネオジム永久磁石（磁束密度：４８０ｍＴ）を一方のアルミニウム電極に近づけ、再び遠ざけた際の両電極間に生じた起電力変化を示す。この場合も１４０ｍＶという比較的大きな起電力を生じた点では金電極の場合と一致しているが、大きく異なっているのは純粋な［ｂｍｉｍ］ＦｅＣｌ４でも起電力が生じたということである。さらに、起電力が生じる向きも逆転していたことから、磁場によるイオン輸送を起源とする点では共通するものの蓄電機構に違いがあることを示している。蓄電実験後のアルミニウム電極に若干溶解した痕跡が認められることや、同様の結果がアルミニウムと同じく化学的に活性な鉄電極でも得られていることから、これら化学的に活性な電極を用いた場合は電極界面で静電的な蓄電が起こっているのではなく、輸送されてきたイオンと電極材料との間で化学反応が起こり蓄電されていると考えられる。［ｂｍｉｍ］ＦｅＣｌ４は酸性を示すことからアルミニウムや鉄では酸化反応が起こる。図９に認められるやや不安定な起電力の推移も酸化反応による蓄電を裏付けている。
[実施例２]
図４に、本発明の一実施例である、磁界による電気伝導率の制御を可能にする装置（磁界効果トランジスタ）の模式図を示す。半導体としては様々な材料を用いることが出来るが、ここでは水素終端ダイヤモンドを用いた。また、電解質には磁場によってイオン輸送が起こる液体及び固体電解質を用いることが出来るが、ここでは液体電解質である１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムテトラクロロフェラート（Ｃ８Ｈ１５Ｃｌ４ＦｅＮ２、以降では［ｂｍｉｍ］ＦｅＣｌ４と称す）、及びそれを純水で希釈したものを用いた。
図４に、本発明の一実施例である、磁界による電気伝導率の制御を可能にする装置（磁界効果トランジスタ）の模式図を示す。半導体としては様々な材料を用いることが出来るが、ここでは水素終端ダイヤモンドを用いた。また、電解質には磁場によってイオン輸送が起こる液体及び固体電解質を用いることが出来るが、ここでは液体電解質である１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムテトラクロロフェラート（Ｃ８Ｈ１５Ｃｌ４ＦｅＮ２、以降では［ｂｍｉｍ］ＦｅＣｌ４と称す）、及びそれを純水で希釈したものを用いた。
小型ネオジム永久磁石（磁束密度：４８０ｍＴ）をダイヤモンド側に近づけ、再び遠ざけて逆側から近づける操作を繰り返した際に両電極間に生じた電流変化を図１０に示す。図中の矢印は磁場を切り替えた時刻を示している。８０％希釈［ｂｍｉｍ］ＦｅＣｌ４水溶液を用いた場合、約２５０〜３００％程の電流変化が可逆的に生じたことがわかる。これは、磁場下でのＦｅＣｌ４ −イオン移動とそれに伴って起きる［ｂｍｉｍ］＋イオンの移動により水素終端ダイヤモンド表面付近でのＦｅＣｌ４ −イオンと［ｂｍｉｍ］＋イオンの濃度に差が付き、それによって蓄積される電荷が水素終端面の電子キャリア濃度を変化させるためである。すなわち、ここでの電流変化はＦｅＣｌ４ −イオンと［ｂｍｉｍ］＋イオンの濃度に差が付くことにより、水素終端面近傍で起こる静電的な電子キャリア注入に由来している。
本発明によれば、磁石の磁気エネルギーを利用して帯電状態を制御することが可能な装置が提供される。これを用いた蓄電装置は磁石による磁気エネルギー以外に一切のエネルギー供給源を必要とせずに蓄電が可能である。また、これを用いた可変電気抵抗素子は従来の電界効果トランジスタと異なり磁界によって電子キャリア濃度を制御可能である。これらはいずれも従来技術では実現不可能な特徴を有しており、産業の各分野において広範に利用可能である。
１：磁場に応答して伝導するイオン１
２：電解質
３：磁場に応答しないがイオン１が生じる電場で伝導するイオン
４：溶媒
５：電極１
６：電極２
７：小型永久磁石
８：半導体
９：電極１
１０：電極２
１１：負の極性の伝導キャリア
１２：正の極性の伝導キャリア
２：電解質
３：磁場に応答しないがイオン１が生じる電場で伝導するイオン
４：溶媒
５：電極１
６：電極２
７：小型永久磁石
８：半導体
９：電極１
１０：電極２
１１：負の極性の伝導キャリア
１２：正の極性の伝導キャリア
Claims (14)
- 電解質材料を構成するアニオン及びカチオンの少なくとも一方が磁性を有する電解質材料、前記電解質材料を挟んで配置された電極１、及び電極２、並びに磁石を設けた装置であって、前記磁石からの磁界を制御することで、電極１及び／又は電極２の表面の帯電状態を制御する、磁界効果トランジスタである装置。
- 電解質材料を構成するアニオン及びカチオンの少なくとも一方が磁性を有する電解質材料、前記電解質材料を挟んで配置された電極１、及び電極２、並びに磁石を設けた装置であって、下記ｉ）からｉｖ）うち少なくとも１の要件を具備し：
ｉ）前記電極１が、電子伝導性を有する金属、及び半導体からなる群から選択される少なくとも一つを含み、前記金属、又は半導体が、磁場下でイオンとの化学反応が可能な活性物質を含む；
ｉｉ）前記電極１が、電子伝導性を有する金属、及び半導体からなる群から選択される少なくとも一つを含み、前記金属、又は半導体が、磁場下でイオン輸送が可能な電解質を含み、前記電解質内及び／又は前記電極２内のイオンが移動して前記電極１内に挿入される；
ｉｉｉ）前記電極２が、電子伝導性を有する金属、及び半導体からなる群から選択される少なくとも一つを含み、前記金属、又は半導体が、磁場下でイオンとの化学反応が可能な活性物質を含む；
ｉｖ）前記電極２が、電子伝導性を有する金属、及び半導体からなる群から選択される少なくとも一つを含み、前記金属、又は半導体が、磁場下でイオン輸送が可能な電解質を含み、前記電解質内及び／又は前記電極１内のイオンが移動して前記電極２内に挿入される；
かつ、前記磁石からの磁界を制御することで、電極１及び／又は電極２の表面の帯電状態を制御する装置。 - 蓄電装置である、請求項２に記載の装置。
- 前記電極１又は前記電極２に前記磁石を近づけることによって前記アニオン及びカチオンの少なくとも一方を輸送させ、前記電極１と前期電極２の間に電圧を生じる請求項２に記載の装置。
- 前記アニオン及びカチオンの少なくとも一方の、前記電極１若しくは電極２側への移動、又は前記電極１若しくは前記電極２内への挿入によって、前記電極１及び電極２に電子及び正孔が生成され、それに伴って放電可能な電力が与えられる、請求項３に記載の蓄電装置。
- 前記電解質材料が、液体電解質又は固体電解質を含む、請求項１から５のいずれか一項に記載の装置。
- 前記液体電解質が、塩化鉄イオン（ＦｅＣｌ４ -）、及び硫酸銅（ＣｕＳＯ４）からなる群より選ばれる少なくとも一つを含む、請求項６に記載の装置。
- 前記電解質材料が、可動イオンを有する高分子化合物を含む、請求項６に記載の装置。
- 前記高分子化合物が、ポリエチレンオキシドである、請求項８に記載の装置。
- 前記電解質材料が、可動イオンを有する金属酸化物を含む、請求項６に記載の装置。
- 前記金属酸化物が、ケイ酸(ＳｉＯ２)、酸化タンタル(Ｔａ２Ｏ５)を含む、請求項１０に記載の装置。
- 前記磁石が、永久磁石又は電磁石である、請求項１から１０のいずれか一項に記載の装置。
- 電解質材料を構成するアニオン及びカチオンの少なくとも一方が磁性を有する電解質材料、並びに前記電解質材料を挟んで配置された電極１、及び電極２、に印加する磁界を制御することで、電極１及び／又は電極２の表面の帯電状態を制御する方法であって、下記ｉ）からｉｖ）うち少なくとも１の要件を具備する方法：
ｉ）前記電極１が、電子伝導性を有する金属、及び半導体からなる群から選択される少なくとも一つを含み、前記金属、又は半導体が、磁場下でイオンとの化学反応が可能な活性物質を含む；
ｉｉ）前記電極１が、電子伝導性を有する金属、及び半導体からなる群から選択される少なくとも一つを含み、前記金属、又は半導体が、磁場下でイオン輸送が可能な電解質を含み、前記電解質内及び／又は前記電極２内のイオンが移動して前記電極１内に挿入される；
ｉｉｉ）前記電極２が、電子伝導性を有する金属、及び半導体からなる群から選択される少なくとも一つを含み、前記金属、又は半導体が、磁場下でイオンとの化学反応が可能な活性物質を含む；
ｉｖ）前記電極２が、電子伝導性を有する金属、及び半導体からなる群から選択される少なくとも一つを含み、前記金属、又は半導体が、磁場下でイオン輸送が可能な電解質を含み、前記電解質内及び／又は前記電極１内のイオンが移動して前記電極２内に挿入される。 - 電解質材料を構成するアニオン及びカチオンの少なくとも一方が磁性を有する電解質材料、並びに前記電解質材料を挟んで配置された電極１、及び電極２、に印加する磁界を制御することで、電極１及び／又は電極２の表面の帯電状態を制御する方法を用いる、磁界効果トランジスタ。
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