JP6989615B2 - 導電性コンポジット - Google Patents

Description

本発明は導電性コンポジットに関し、特に導電性薄膜コンポジットに関する。本発明はまた、かかるコンポジットの生成プロセス及び該コンポジットの使用にも関する。

有機半導体材料がエレクトロニクスに応用できるか否かは、該材料がｐ型、ｎ型のいずれの電荷キャリアとしても利用可能であるか否かに依る。これら電荷キャリアの明確な積層構造又は空間パターンの作成がどの程度容易であるかにより、出力や用途が決まる。グラフェン系有機半導体は、その性能と多様な分野への応用可能性から、その製造に多大な関心が寄せられている。

かかるグラフェン系有機半導体の製造に用いられる材料のひとつに、酸化グラフェンがある。酸化グラフェンは酸化物の数多くの機能性を備えることが知られており、それらは主として表面のアルコールやエポキシドに起因する。酸化グラフェンの構造はグラファイトにかなり似ているが、その層間距離は遥かに長く、６〜１２Åである。この層間距離は湿度レベルと水のインターカレーションの度合いに応じて変化する。π−πスタッキング力が小さく、負に帯電したシート同士の電気的反発力は大きいことから、酸化グラフェンの水溶液は熱力学的に安定である。表面やシート端部にいくつかの酸素含有官能基が存在するため、酸化グラフェンは水素結合、共有結合、及び／又はイオン結合を介して広範な材料と相互作用し、ハイブリッドやコンポジットを形成することができる。また、ｓｐ²混成及びｓｐ³混成双方の炭素原子を有するため、酸化グラフェンのシートは並進対称性が低いか、或いはこれを示さない。したがって、酸化グラフェンの単位格子の全体サイズはグラフェンの単層と同等であるものの、官能基に結合する炭素原子の位置は僅かにずれている。酸化グラフェン平面から突出したこれら官能基は、隣接する各層の炭素骨格中に於ける炭素−炭素二重結合のｓｐ²部位の相互作用を弱めていると考えられる。しかし、トポロジカル欠陥や酸素含有官能基は、特に極性ゲスト物質を酸化グラフェンとのコンポジット形成に用いた場合に、該極性ゲスト物質とより強い物理的結合を形成する場合がある。

酸化グラフェンコンポジットは一般的に、両極性である。この酸化グラフェンコンポジットの両極性特性の対称性を破るために、該コンポジットへのドーピングが従来より行われてきた。従来、かかるドーピングは、シリコンチップ等の両極性デバイスに対して行われ、このドーパントの種類に応じてｐ型又はｎ型としていた。しかし、これらのドーピング方法は、時間と手間を要する。

そこで本発明は、かかる欠点を少なくとも改善される酸化グラフェンコンポジットを提供することを目的とする。

本発明の第一の側面によれば、ナノ結晶セルロース（ＮＣＣ）のマトリクスと酸化グラフェン（ＧＯ）とから成る導電性コンポジットであって、上記マトリクスは少なくともその一領域において、該マトリクスの該領域に於けるナノ結晶セルロースの質量濃度に応じて、該領域内で、ｐ型電荷キャリア伝導性又はｎ型電荷キャリア伝導性のいずれかを備えることでユニポーラ性を示す、導電性コンポジットが提供される。

上記コンポジットはフィルム状、特に薄膜であってよい。本明細書に於いて薄膜とは、例えば厚さ２４μｍ未満のフィルムを意味する。

上記コンポジットはドーパント、或いは元素ドーパントを含まないことを特徴とし、例えば、リン等の周期律表第Ｖ族元素をｎ型ドーピング用として含まないか、ホウ素等の周期律表第III族元素をｐ型ドーピング用として含まないか、或いはその両方である。

本発明の一実施態様において、上記マトリクス／コンポジット中のＮＣＣの質量比率又は質量濃度は７％以下又は３５％以上である。その結果、上記コンポジットはｐ型、又は少なくともｐ型が優位な電荷キャリア伝導性を示す。ＮＣＣの質量濃度は５％以下であってよく、例えば約５質量％又は約１質量％であり、一方４０％以上であってよく、例えば約５０質量％である。

本発明の別の実施態様において、上記マトリクス／コンポジット中のＮＣＣの質量比率又は質量濃度は７％より大きく且つ３５％未満である。ＮＣＣの質量濃度は８％より大きく、３５％未満でもよく、例えば約１０質量％又は約２０質量％でもよく、これがｎ型特性を得る上で最適と考えられる。その結果、上記コンポジットはｎ型、又は少なくともｎ型が優位な電荷キャリア伝導性を示す。

本明細書において、質量濃度とは上記コンポジットの単位質量に対する或る成分の濃度を百分率で表したものである。したがって、ＮＣＣの質量濃度２０％（即ち、２０質量％）とは上記コンポジットが質量基準で２０％のＮＣＣを含むことを意味する。

上記マトリクスがユニポーラ性を示す領域は、マトリクス全体であってもよい。換言すれば、マトリクス全体、即ちコンポジット全体がｐ型電荷キャリア伝導性、又はｎ型電荷キャリア伝導性のいずれかを示してよい。或いは、上記マトリクスの少なくとも或る領域がｐ型電荷キャリア伝導性を示し、少なくとも別の或る領域がｎ型電荷キャリア伝導性を示してもよい。かかる態様は、製造過程で意図的に接合を形成すること、例えば場合に応じてｐ／ｎ接合又はｎ／ｐ接合を形成することにより達成できる。ｎ／ｐ／ｎ型やｐ／ｎ／ｐ型の様なバイポーラ接合も可能である。

上記マトリクス、ひいては上記コンポジットは、ＮＣＣとＧＯの機械物理的な混合により得られるものであってよい。したがって上記導電性コンポジットは、導電性フィルムコンポジット、好ましくは導電性薄膜コンポジットの形態をとるものであってよい。導電性フィルムコンポジットは、酸化グラフェン（ＧＯ）とナノ結晶セルロース（ＮＣＣ）とを担体液に分散させて懸濁液を得、該懸濁液中に存する固体からフィルム状の原料マトリクス体を生成させ、該原料マトリクス体を乾燥させて得ることができる。

上記マトリクスは特に、酸化グラフェン（ＧＯ）を水等の担体液に分散させ、この分散液にナノ結晶セルロース（ＮＣＣ）を添加して懸濁液を得、該懸濁液中に存する固体からフィルム状又は薄膜等の原料マトリクス体を生成させ、該原料マトリクス体を乾燥させて導電性フィルムコンポジット又は導電性薄膜コンポジットとすることで、得られるものであってよい。

したがって、本発明の第二の側面によれば、広義には、
酸化グラフェン（ＧＯ）を担体液に分散させて分散液又は溶液を調製する工程と、
上記分散液又は溶液にナノ結晶セルロース（ＮＣＣ）を添加して懸濁液を調製する工程であって、該懸濁液中のナノ結晶セルロースの質量濃度を、ナノ結晶セルロースのマトリクスと酸化グラフェンとから成る導電性コンポジットが得られる様に選択し、該マトリクスは少なくともその一領域において、該領域内でｐ型電荷キャリア伝導性又はｎ型電荷キャリア伝導性のいずれかを備えることでユニポーラ性を示す、工程と、
上記懸濁液中に存する固体から原料マトリクス体を生成させる工程と、
上記原料マトリクス体を乾燥させて、ナノ結晶セルロースのマトリクスと酸化グラフェンとから成る導電性コンポジットを得る工程であって、該マトリクスは少なくともその一領域において、該マトリクスの該領域に於けるナノ結晶セルロースの質量濃度に応じて、該領域内で、ｐ型電荷キャリア伝導性又はｎ型電荷キャリア伝導性のいずれかを備えることでユニポーラ性を示す、工程と、
を有する導電性コンポジットの生成プロセスが提供される。

上記導電性コンポジットは導電性薄膜コンポジットであってよい。

上記懸濁液中に存する固体から原料マトリクス体を生成させる工程は、該懸濁液中に存する固体から薄膜コンポジットを生成させる工程を含んでよい。かかる工程は、典型的には上記懸濁液（即ち、コロイド状のコンポジット溶液）をペトリ皿等の大気開放型の容器に移し、無塵管理環境下で水等の上記担体液をゆっくりと蒸発させることで実施される。上記担体液又は溶液が蒸発するにつれて薄膜が残るので、これを機械的に剥離する。

上記担体液は水であってよく、これによりＧＯの水中分散液が得られる。この分散液は、例えば超音波を利用した混合で得ることができる。即ち、上記分散液を超音波水浴に或る時間長さｔ₁に亘って浸漬することで、混合を行うことができる。この時間ｔ₁は５分≦ｔ₁≦２０分であることが好ましく、約１０分であることがより好ましい。

ＮＣＣはコロイド溶液の形で上記分散液に添加することができ、更にその添加は該分散液を混合、例えば撹拌しながら行うことができる。この工程は、例えばＮＣＣのコロイド溶液全量を添加し終えて一旦調製された懸濁液を、撹拌等により或る時間長さｔ₂に亘って混合する工程を含む。この時間ｔ₂は５分≦ｔ₁≦２０分であることが好ましく、約１０分であることがより好ましい。上記懸濁液はその後、超音波水浴にて或る時間長さｔ₃に亘って処理に供することができる。この時間ｔ₃は２０分≦ｔ₃≦４０分であることが好ましく、約３０分であることがより好ましい。

上記原料マトリクス体の生成工程は、ＮＣＣとＧＯの各コロイド溶液を機械物理的に混合する工程を含んでよい。

上記原料マトリクス体の乾燥又は脱水工程は、或る上昇温度Ｔにて、或る時間長さｔ₄に亘って行うことができる。その温度Ｔは好ましくは４０℃≦Ｔ≦１００℃であり、より好ましくは４０℃≦Ｔ≦７０℃であり、典型的には約５０℃である。また、時間長さｔ₄は好ましくは２４時間≦ｔ₄≦７２時間であり、より好ましくは２０時間≦ｔ₄≦６０時間であり、典型的には約４８時間である。

上記工程において、ＧＯとＮＣＣとを最初に所定の質量比率で使用し、所定のＮＣＣ質量比率又はＮＣＣ濃度を有するコンポジット又はマトリクスを得、該コンポジット又はマトリクスの上記領域がｐ型又はｎ型のいずれかの電荷キャリア伝導性を示すようにする。上記マトリクス又はコンポジット中のＮＣＣ質量比率又は質量濃度は、本発明の第一の側面に関連して前述した通りであってよい。

本発明は、本発明の第二の側面にかかるプロセスによって製造されるコンポジットをも包含する。本発明は特に、本発明の第二の側面にかかるプロセスで製造される導電性コンポジットであって、該導電性コンポジットはナノ結晶セルロースのマトリクスと酸化グラフェンとから成り、上記マトリクスは少なくともその一領域において、該マトリクスの該領域に於けるナノ結晶セルロースの質量濃度に応じて、該領域内で、ｐ型電荷キャリア伝導性又はｎ型電荷キャリア伝導性のいずれかを備えることでユニポーラ性を示す、導電性コンポジットをも包含する。

本発明の第三の側面によれば、或る加工物の製造に於ける、本発明の第一の側面にかかる導電性コンポジットの使用、又は本発明の第二の側面にかかるプロセスにより製造される導電性コンポジットの使用が提供される。

本発明の第四の側面によれば、本発明の第一の側面にかかる導電性コンポジット、又は本発明の第二の側面にかかるプロセスにより製造される導電性コンポジットを含む加工物が提供される。

上記加工物は半導体の加工物であり、低消費電力の電子機器、光エレクトロニクス機器、スピントロニクス、ダイオード、トランジスタ技術、熱電発電機、その他の産業用途に使用できる。

以下、本発明を実施例及び添付図面を参照しながら更に説明する。

図１（ａ）は、ＮＣＣ／ＧＯコンポジットにおいてＧＯ上のエポキシ酸素原子とＮＣＣ中の酸素原子とに起因するエネルギー的乱れ（表示Ａ）と幾何学的乱れ（表示Ｂ）を示す模式図であり、図１（ｂ）はＧＯ層内の歪みを示す立体像である。 図２は、実施例に於いて、ＮＣＣ／ＧＯコンポジット薄膜中のＮＣＣ質量濃度を変化させた場合の紫外〜可視〜近赤外スペクトル図である。 図３は、実施例に於ける立体原子間力顕微鏡画像であり、図３（ａ）は１質量％ＮＣＣ／ＧＯ、図３（ｂ）は５質量％ＮＣＣ／ＧＯ、図３（ｃ）は１０質量％ＮＣＣ／ＧＯ、図３（ｄ）は２０質量％ＮＣＣ／ＧＯ、及び図３（ｅ）は５０質量％ＮＣＣ／ＧＯの場合を示し、更に図３（ｆ）はハニカム構造を呈する２０質量％ＮＣＣ／ＧＯの平面像である。 図４は、実施例に於いて、ＧＯ中のＮＣＣ組成比を変化させた場合のホール電圧と入力電流値との関係を示す。

＜背景＞
本発明者らは、予備的検討において、ナノ結晶セルロース表面のＯＨ基の数が多いと水素結合が生じやすく、これにより酸化グラフェンとセルロース鎖とが２層集合体を形成し、規則性の高い薄膜が形成することを見出した（図１（ａ）及び図１（ｂ）参照）。この時、水素結合は１層のナノ結晶セルロースフィルムとこれを挟む２層の酸化グラフェンシートの間の結合力として作用し、これによりコンポジットフィルムが形成される。ナノ結晶セルロースはコロイド状分散液中でウィスカの絡み合いによってネマチック状態であると考えられており、酸化グラフェンの単層間で棒状の薄膜を形成していると考えられている。この結果生ずる形状異方性が、セルロース鎖のキラル性に起因するとみられる規則配列を生み出している。この様にして、キラル表面間の相互作用と、ナノ結晶セルロース及びこれを覆う酸化グラフェン単層の捻れ形状とにより、外部から印加される電場又は磁場に対する応答手段が提供されるものと考えられる。

そこで本発明者らは、酸化グラフェン／ナノ結晶セルロースコンポジット（ＮＣＣ／ＧＯ）のトポロジカル導電性を実証することを目指した。本発明者らはまた、このコンポジットの電荷キャリア特性の制御、及びユニポーラ半導体装置の製造を実証することを目指した。

＜材料及び方法＞
ナノ結晶セルロース（ＮＣＣ）の調製：
ＮＣＣは、南アフリカ共和国サッピ社のセイコール工場から調達した広葉樹パルプを硫酸（６５％ｍ／ｍ）で加水分解して得た溶解パルプから、調製した。この溶解パルプの５ｇを１００ｍｌの硫酸水溶液と混合し、この混合物を６４℃にて１時間、高速撹拌（７００ｒｐｍ）した。この混合物を脱イオン水で１０倍に希釈して加水分解反応を停止させ、この希釈混合物をヘティッチ社の遠心分離機ユニバーサル３２０Ｒ型を用いて９０００ｒｐｍで１５分間遠心し、セルロースを濃縮すると共に過剰の酸水溶液を除去した。沈殿した固形物を蒸留水で洗浄し、再び遠心分離した。この操作を３回繰り返した。続いて、この沈殿物をシグマ−アルドリッチ社の透析チューブ（平均平面幅２５ｍｍ、分画分子量１２，０００Ｄａ）に入れ、脱イオン水に対して１週間、ｐＨが７になるまで透析を行った。透析後のナノセルロースに対し、超音波水浴（ドイツ・ヒールシャー社製、ＵＰ４００Ｓ ４００Ｗ）を用いて、氷浴で冷却しながら５分間、出力７５％、サイクル数０．７で超音波処理を施し、ＮＣＣのコロイド溶液を得た。

酸化グラフェン（ＧＯ）及びＮＣＣ／ＧＯコンポジットの合成
グラファイト粉末（＜１５０μｍ、９９．９９％）は、米国シグマ・アルドリッチ社より購入した。ＫＭｎＯ₄（９９％）及びＮａＮＯ₃（９９％）は、共に南アフリカ共和国アソシエーテッド・ケミカル・エンタープライズ社より購入した。Ｈ₂ＳＯ₄（９８．３７％）は南アフリカ共和国シー・シー・イメルマン株式会社より、また、Ｈ₂Ｏ₂（３０％）は南アフリカ共和国メルク株式会社より購入した。これらの製品は、２回脱イオン水（ＤＩ）で洗浄した。

ＧＯは改良されたハマー法(Hummers W.S.,Offeman R.E.,Preparation of graphitic oxide.Journal of the American Chemical Society 1958、80(6):1199-1339)により合成した。具体的な合成法として、グラファイトとＨ₂ＳＯ₄とを反応容器に投入した。この混合物を氷水浴で撹拌しながら、ＮａＮＯ₃を加えた。その後、温度が１５℃未満に保たれる様、ＫＭｎＯ₄をゆっくり添加した。続いて水浴を外し、反応温度を５０℃に上昇させた。Ｈ₂Ｏ₂を添加し、濾液のｐＨが中性になるまで２段脱イオン水（ＤＩ）による洗浄を数サイクル行った。合成したＧＯの濃度は、等量分割試料を２本用意し、これらを秤量することで決定した。即ち、これら等量分割試料を５０℃のオーブンで一晩乾燥させた。各等量分割試料を再度秤量し、これら等量分割試料の乾燥前の平均質量に対する、乾燥後の平均質量として濃度を表した。この後、ＮＣＣ／ＧＯコンポジットの合成を行った。

ＮＣＣ／ＧＯコンポジットは、所定質量のＧＯを１０分間の超音波水浴処理で水中に分散させることで合成した。その後、所定体積のＮＣＣを撹拌しながら添加し、更に撹拌すると共に１０分間、及び３０分間のそれぞれで超音波水浴処理を行った。生成したコンポジット溶液をペトリ皿に移し、無塵管理環境下で水をゆっくり蒸発させることで、コンポジットフィルムを作成し、その後このフィルムをオーブン中、５０℃で４８時間乾燥させた。この様にして、ＮＣＣ濃度が質量基準で１％、５％、１０％、２０％及び５０％（残部はＧＯ）の各コンポジットを作成し、テストした。

反射率の測定
各フィルムの紫外〜可視〜近赤外スペクトルを、パーキンエルマー社製、積分球Labsphere RSA-PE-20付きダブルビーム型紫外可視分光光度計Lambda 35を用いて記録した。

原子間力顕微鏡による観察
ＮＴ−ＭＤＴ社（ロシア共和国）製のベースSolver P47HとヘッドSMENAを使用し、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）で行った。選択したカンチレバーは SuperSharpSilicon^TM ＳＰＭセンサ（ＳＳＳ−ＮＣＬＲ、Nanosensors^TM)、共鳴周波数 １４６〜２３６ＫＨＺ；バネ定数２１〜９８Ｎ／Ｍ；チップ半径２ｎｍ（代表値）、走査速度０．６〜１．６Ｈｚであった。分析に先立ち、ＮＣＣ／ＧＯ値（％）の異なる各薄膜を両面テープを用いてスライドグラス上に固定した。本ＡＦＭでは、２Ｄスケールを用いて膜厚を推定した。

ホール効果の測定
異常ホール効果と導電率は、公知のホールプローブ及び４端子法を用い、室温で磁場を掛けずに測定した。電流とホール電圧は、それぞれ電位計(Keithley 617)及びデジタルマルチメータ(Fluke 87)を用いて測定した。

＜結果＞
グラフェンとＧＯとの比較から、ＧＯは電荷ホッピングパラメータの変化が大きいエネルギーバンドギャップを示すことがわかる。ホッピングは電子の状態密度（ＤＯＳ）と局在化状態の電子波動関数に関連している。ＧＯ表面にＮＣＣ絶縁層を導入してもキャリアの非局在化は期待できなかったが、フェルミ準位（Ｅ_F）から離れた局在化状態の準位の上昇は期待できた。したがって、ＮＣＣ／ＧＯコンポジット中の局在化した乱れはミッドギャップ準位のエネルギー状態を増強するものと期待された。実際この様子は、ＮＣＣ組成を変化させた場合の各コンポジットの紫外〜可視〜近赤外スペクトルの明瞭な変化として観察された（図２）。これらのスペクトルから、ＮＣＣ組成１０質量％において可視〜近赤外領域に比較的大きな吸収が現れており、バンドギャップ特性が顕著に誘導されていることが解る。これより、ＮＣＣの導入量（質量％）が増えると内面及び界面の変位が増大することが解る。

分子レベルでは、これらの捻れ効果は分子間の電子カップリングを強く乱し、その影響の程度はフロンティア分子軌道、即ち最高被占軌道（ＨＯＭＯ）又は最低空軌道（ＬＵＭＯ）の結合−反結合特性に依存する。隣接分子間又は隣接鎖セグメント間の相互作用の程度がそれらの相対位置や配列（幾何学的乱れとも言う）により変化すると（図１参照）、コンポジットの層内で電子カップリングに分布が生じ、電荷の行き止まりとしての薄膜を通過する導電経路が発生する。ＧＯ層のみを考えると、酸素原子及び水素原子の存在により長さの異なる疑似有限サイズの共役セグメントが生成してＨＯＭＯとＬＵＭＯの各エネルギーが変化し、エネルギー的乱れをもたらす。これらのエネルギー的乱れは、局所的充填状態の異なる周囲の分子からの静電的／分極効果をもたらす。これらの効果は、局所的な双極子モーメントを持つか或いは永久双極子を持たない、周期的な分子／鎖ユニットにより増強され得る。ＧＯ単層中のヘテロ原子は、微細な双極子であり分極中心であると考えることができる。同様にセルロースも、その規則的な繰り返し単位の中に微細な双極中心を持つ。したがって、かかるコンポジット中では、双方の乱れの程度が濃度に依存して増大することが予想される。

図２を検討すると、ＮＣＣ／ＧＯコンポジットの光吸収は２２５ｎｍ〜２７５ｎｍの吸収帯で生じており、π−π^*遷移よりもｎ−π^*遷移が優勢であると結論できる。このことは電荷キャリアの新たな混合が生じていることを示しており、恐らく電子−電子カップリングと、電子−フォノンカップリングの結果として生じている。これらのカップリング効果は、ＧＯマトリクス中に取り込まれたＮＣＣの量に依存すること見てとれる。例えば、ＮＣＣ組成１質量％と５質量％とではスペクトルに肩が見られないが、ＮＣＣ組成１０質量％、２０質量％及び５０質量％では６５５ｎｍ、４４５ｎｍ及び３９３ｎｍにそれぞれ肩が見られる。このことは、可視〜近紫外領域において伝導電子が光子エネルギーと共に大きく寄与していることを示すが、この寄与はＮＣＣの導入量（質量％）が増加するにしたがって減少する。ＧＯの典型的な吸収スペクトルでは、π−π^*遷移に起因する吸収極大が２３０ｎｍ付近に現れ、通常はＣ−Ｏ結合のｎ−π^*遷移に帰属される肩が３００ｎｍ付近に現れるが、これらのコンポジットでは観察されなかった。いずれの組成の場合にも明瞭な吸収端は見られず、明瞭なバンドギャップが存在しないことを物語っている。しかしながら、ＧＯ骨格上にナノメートルサイズの電子リッチなｓｐ²炭素クラスターが存在すること、そしてｓｐ³炭素部位がキャリアの障壁として機能していることで、電子は離散的にまとまって閉じ込められている。これに対し、セルロースはその構造中に純粋にｓｐ³炭素から成るトラップ端部位を有し、酸素原子上の孤立電子対のみが電子として寄与する。この結果、上記コンポジットのバンドギャップエネルギーは、ＧＯフィルム中に導入されたＮＣＣの量と直接的に相関することになる。

したがってＮＣＣ／ＧＯ膜は、ｓｐ²輸送ギャップからの伝導性π状態と、ｓｐ³トラップのσ状態の双方を有していると推測される。導入された酸素原子、ストーンウェルズ欠陥、及びホールに起因する欠陥の存在は、コンポジットの電子の質を制限する可能性がある。このため、ＧＯシートにはトポロジカルに非自明な状態は発生し得ない。したがって、複数のＮＣＣ／ＧＯ薄膜に亘る電荷移動は、ｓｐ³炭素部位、欠陥、フィルム接合部、その他の構造上の不完全さ及び不純物によって散乱又はトラップされ易い。しかし本発明者らは、強磁性（ＦＭ）秩序、スピン−軌道カップリング（ＳＯＣ）、及び特殊なアセンブリが異常量子ホール（ＡＱＨ）効果を惹起させ易いことを示す報告を知っている。このことは、ＮＣＣ／ＧＯコンポジットの様なトポロジカルな絶縁材料が、低エネルギー消費型の機器の製造に適するようにしている。これらｎ型の系内で電気伝導が生ずるには、分子間でのπ軌道の重なりを通じて分子間の交換が増強されることが必要であり、これによりＨＯＭＯ−ＬＵＭＯギャップが狭まり、電荷キャリアの数が増える。この時優勢なキャリアが半導体の種類を決定し、電子ならｎ型、ホールならｐ型となる。

１μｍ×１μｍ視野の各原子間力顕微鏡像（図３）は、組成比率（％）の異なる各ＮＣＣ／ＧＯコンポジットの様々なトポロジカルな表面モホロジーを示している。１質量％ＮＣＣ／ＧＯコンポジットでは明らかにスパイク様の３Ｄプロファイルが見られるが、５質量％ではそれが徐々になだらかになり、２０質量％ＮＣＣ／ＧＯコンポジットでは或る程度の平坦性が達成されている（図３（ａ）〜図３（ｄ））。５０質量％ＮＣＣ／ＧＯコンポジットでは、強い皺寄せによってこの平坦性が崩れ、端部にスパイクが多く発生していることが見てとれる（図３（ｅ））。２０質量％ＮＣＣ／ＧＯコンポジットの２次元１μｍ×１μｍ画像では、グラフェンシートに類似したハニカム構造が見られる（図３（ｆ））。これらの構造が形成されることは、ＮＣＣ上のＯＨ基とＧＯ骨格上の酸素含有基との間の相互作用を物語っている。ｓｐ²炭素リッチなグラフェンシートは、その特徴として、高い電子密度と、規則的な５角形、７角形のハニカム構造を有する。２０質量％ＮＣＣ／ＧＯで観察される構造は若干変形しており、ｓｐ²混成炭素の再形成は無いものの、ＮＣＣ表層部での再構成により相互接続チャネルが形成されたことを示唆している。この様にして形成されたチャネルは、コンポジットの伝導帯への電子注入に於いて、該コンポジットにｎ型有機半導体の性質を発揮させる役割を果たす。

ＧＯ薄膜は、典型的には高い正の閾値電圧（Ｖ_th）を有するｐ型半導体である。しかし、水分子が吸着、及び／又は捕捉されていない状態では、Ｖ_thが負にシフトする。このことは、酸素のみならず極性ゲストの脱着が、単層カーボンナノチューブを利用した装置にみられる固有の特性を変化させることを示唆している。本研究では、これに類似したＮＣＣ濃度（％）依存的な変形が生じており、サイト容量と閾値限界の存在を示している。紫外〜可視〜近赤外スペクトル（図２）を見ると、１０質量％組成のＮＣＣでは電荷キャリア特性の変化のみならず、電荷パラメータが上昇していることが、吸収の増大から見てとれる。吸光度の単位は非常に大きく、これに応じて移動度の計算値も大きくなっている。水分に再び接触させるとＶ_thが正の値に戻ることが、ＮＣＣ含有量の高いコンポジットにより示され、これを超えるとサイトが飽和するという臨界組成、及び通常のマルチプルトラップアンドリリース挙動が存在していることが解る。３５質量％組成のＮＣＣ／ＧＯでは、負のＶ_Hが電流の増大と共に正に転じる（図４）。これより、吸着された酸素と極性基がアクセス可能なホッピングサイトの数を増やし、ホッピングの確率を増大させると共に、キャリアの移動度を増大させると考えられる。そこで、化学種の吸着又は化学吸着を通じて、或る型のキャリアを新規投入するか、又は既存キャリアを補う方法が考えられる。ホッピングによるキャリア移動度の増大や、散乱中心に起因する移動度の制限が観測され得る。ｎ型やｐ型の電荷特性は基本的に、ＧＯコンポジットの両極性の対称性の崩れに起因する。従来は、シリコンチップの様な両極性デバイスにドーピングを施すことで、ドーパントの種類に応じてこれをｐ型あるいはｎ型としていた。この様なドーピング手法は時間も手間も掛かる。本実施例により、ゲストであるＮＣＣの組成に応じてＧＯに或る電荷キャリア型を付与することができ、これによって半導体デバイスの安価な、そして再生可能素材からの量産への道が開かれることが示された。これらコンポジットフィルムに関して得られたデータの再現性が良好であることから、製造されるデバイスは通常の環境条件下で安定であると考えられる。

純ＧＯでは相対論的な電荷キャリア輸送は実現できず、ＧＯの光学特性や電子的性質は官能基の分布の均一性に精妙に依存する。隣接分子間での電子カップリングは第一に分子の充填の程度に依存するので、分子サイズと電荷移動度との間に明確な関連性は無い。したがって、隣接分子間に於ける電子カップリングは隣接分子同士の空間的な重なりの程度には直接関係しておらず、むしろ波動関数の重なりの程度に関係している。電子とホールの各移動積分の振動周期の違いにより、僅かな変位であっても、電子間カップリングがホール間カップリングよりも大きくなり、結果的に電子移動度がホール移動度より大きくなる状況を生み出し得る。欠陥の無い理想環境下では、電荷輸送は電子相互作用と電子振動（フォノン）の相互作用によって決まる。しかし、ＮＣＣ／ＧＯの様な大型の有機半導体／コンポジット中では、電子−フォノンカップリングは、純然たる摂動ではなく、ポーラロンと呼ばれる準粒子を生成させる。ここで、電子の電荷はフォノン雲に覆われており（図１）、平均位置から原子が僅かにずれただけでも微視的パラメータは変化する。実際、２０質量％組成のＮＣＣ／ＧＯでハニカム構造が出現したことは（図３（ｆ））、層内及び層間相互作用に変化が生じ、構造パラメータに影響が及んだ証拠である。システムパラメータの振動（フォノン）座標依存性は、電子−フォノンカップリングの名で知られている。局在型、非局在型の電子−フォノン相互作用の両方が、輸送パラメータの時間依存的な変化に極めて重要な役割を果たしており、これらは、エネルギー的動的乱れと幾何学的動的乱れの各機構に応じてそれぞれ局在型、非局在型の電子−フォノン相互作用に動的乱れを導入する非局在型の秩序パラメータを持つ状態が存在することにより、場のエネルギーがかなり低いトポロジカル秩序相が形成される。複数の論文によれば、トポロジカル相には大きな実用可能性があり、或る種のトポロジカル量子コンピュータがブレイド生成能のある２Ｄ準粒子を利用する可能性を示唆している。ブレイドゲート論理に基づくコンピュータは非局在的にデータをエンコードすることができ、局所インコヒーレンス効果を最小化することができる。

ＮＣＣ／ＧＯコンポジットは、相互作用しないフェルミ粒子に起因するギャップレスなエッジ状態を呈することから、トポロジカル絶縁体とみなすことができ、それはバルク状態でのエネルギーギャップと、表面上の奇数個のディラックコーンのギャップレス励起とを持つ、時間反転不変型のトポロジカル絶縁体となる。従来、この時間反転対称性を破壊するには通常、トポロジカル絶縁体の表面を薄い磁性フィルムでコーティングしてエネルギーギャップを創出することが行われている。この様な表面に電場を与えると、量子化ホール電流が誘導され、これが磁気分極を生じさせる。同様に、外部磁場が与えられると、電場が誘導される。ホール効果を測定することにより、多数電荷キャリア及びかかる材料中の固有移動度を決定することができる。一般に、ホッピングキャリアは横ホール電界に影響を受け、電荷キャリアに働くローレンツ力と反対方向に動く。測定される電場（単位：ボルト）、即ちホール電圧の符号は、多数電荷キャリアに依存する。ホール電圧が負であれば多数電荷キャリアは電子であり、符号が正であれば多数電荷キャリアはホールである。図４に、ホール電圧と電流との関係を示す。ホール主体の輸送は正の勾配、電子主体の輸送は負の勾配を示す。図４より、１質量％、５質量％及び５０質量％の各組成のＮＣＣ／ＧＯコンポジットのサンプルはホール伝導（ｐ型）、一方、１０質量％及び２０質量％の各組成のＮＣＣ／ＧＯコンポジットは電子伝導（ｎ型）を、それぞれ優勢な電荷キャリアとして示している。３５質量％組成のＮＣＣ／ＧＯコンポジットは、高電流領域でｐ型に移行している（図４）。これは、電流に起因して電子帯が拡張された状態が熱的に破壊されたためであると考えられる。これらコンポジットにＡＱＨ効果が観測されたことは、表面にギャップ状態が存在することを示している。ギャップ状態は通常、外部磁場の非存在下で後方散乱が抑制されたエッジ輸送チャネルに関連している。このことは、トポロジカル相変態の証拠を補強する。１０質量％及び２０質量％の各組成のＮＣＣ／ＧＯの表面はより平滑であり、且つ２０質量％組成のＮＣＣ／ＧＯは立体像においても長手方向に整列している（図３（ｃ）及び図３（ｄ））。このことから、これらコンポジットの表面でエキゾチックな非アーベル型励起が生じていることが推測される。これらπ共役系内の特徴的な電荷キャリアは、ホッピングを介したスピン−１／２ポーラロン輸送を生ずる。本研究で観測した様に、ホッピング現象は電子状態の局在化により制御できるので、これらコンポジットは調整可能な低消費電力型の次世代スピントロニクス装置の製造に応用し得る有力候補である。

適度な導電性を持つ有機半導体を得るために、精妙なドーピングや導電性フィラーを用いたコンポジットの作成等、様々な手段が講じられてきたが、これらの努力で得られたものは殆どｐ型材料であり、空気中で安定なｎ型材料はなかなか得られなかった。ｎ型ポリマーの導入は、著しい相分離が障害となり非常に困難であった。本発明者らは、ＮＣＣ／ＧＯコンポジット中のＮＣＣ濃度を変化させることで、同一フィルム内に良好にパターン化されたｐ型領域とｎ型領域を形成できることを実証した。これにより、ｎ型のユニポーラ材料を通常の周囲条件下で安定的に作製することができ、その多数キャリアをゲスト種の組成割合を変化させることで調節可能なコンポジットを作製できることが実証されている。したがって、このコンポジットはダイオードの輸送層や、相補的論理回路を基礎とするトランジスタ技術に有用であり、更に熱電発電機のｐ型プローブ及びｎ型プローブとしても使用できる。

コンポジット組成を変化させることで、新規な電荷キャリア特性が創出され、これによりユニークなトポロジカル電子伝導特性が実現される。上記コンポジットフィルムは長距離の導電性を示し、トポロジカルコンピューティングに適した高い能力を有し、高周波位相変調へも応用できる。上記フィルムは光学飽和特性も示したことから、二波長Ｑスイッチファイバーレーザーへの応用にも有利である。

以上、組成依存的な電荷スイッチキャリア特性を示してきたが、その高周波相電荷は位相変調に有用と考えられ、ブレイドコンピューティング用途、二波長スイッチファイバーレーザーの可飽和吸収体として応用できる。

以上、本発明者らは、ＮＣＣ／ＧＯコンポジットが両極性であるが、ユニポーラ性を示し得ること、即ちｐ型及びｎ型電荷キャリア伝導性を持ちうることを実証した。本発明者らはまた、コンポジット中のＮＣＣ濃度を変化させることで、ＮＣＣ：ＧＯの比率に応じてｐ型コンポジットをｎ型コンポジットに、又はその逆に、効果的に変換し得ることを示した。本発明者は更に、大気中で安定なｎ型有機半導体デバイスの製造が実現可能であることを実証した。したがって本発明は、グラフェン系コンポジットに及ぼされる異常量子ホール効果への新たな対策、及び最先端のナノエレクトロニクス、オプトエレクトロニクス及びスピントロニクスの各用途に於いてトポロジカル状態を電気的に制御する手段を提供するものである。かかるデバイスの製造は、産業応用に向けて容易にスケールアップできる。

Claims (10)

1. ナノ結晶セルロース（ＮＣＣ）のマトリクスと酸化グラフェン（ＧＯ）とから成る導電性コンポジットであって、
   前記マトリクスは少なくともその一領域において、該マトリクスの該領域に於けるコンポジット中のナノ結晶セルロースの質量濃度が７％より大きく且つ３５％未満であって、該領域内で、ｎ型、又は少なくともｎ型が優位な電荷キャリア伝導性を備えることでユニポーラ性を示す、導電性コンポジット。
2. ｎ型ドーピング用元素ドーパントを含まない、及び／又はｐ型ドーピング用元素ドーパントを含まない、請求項１に記載の導電性コンポジット。
3. 前記導電性コンポジットが、少なくとも１つの他の領域を有し、前記マトリクスの前記少なくとも１つの他の領域に於けるコンポジット中のＮＣＣの質量濃度が７％以下又は３５％以上であって、前記導電性コンポジットが前記少なくとも１つの他の領域内で、ｐ型、又は少なくともｐ型が優位の電荷キャリア伝導性を示す、請求項１又は請求項２に記載の導電性コンポジット。
4. 酸化グラフェン（ＧＯ）とナノ結晶セルロース（ＮＣＣ）とを担体液に分散させて懸濁液を得、該懸濁液からフィルム状の原料マトリクス体を生成させ、該原料マトリクス体を乾燥させて得られる導電性フィルムコンポジットの形態をとる、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の導電性コンポジット。
5. 酸化グラフェン（ＧＯ）を担体液に分散させて分散液又は溶液を調製する工程と、
   前記分散液又は溶液にナノ結晶セルロース（ＮＣＣ）を添加して懸濁液を調製する工程であって、該懸濁液中のナノ結晶セルロースの質量濃度を、ナノ結晶セルロースのマトリクスと酸化グラフェンとから成る導電性コンポジットが得られる様に選択し、該マトリクスは少なくともその一領域において、ｎ型、又は少なくともｎ型が優位な電荷キャリア伝導性を備えることでユニポーラ性を示す、工程と、
   前記懸濁液から原料マトリクス体を生成させる工程と、
   前記原料マトリクス体を乾燥させて、ナノ結晶セルロースのマトリクスと酸化グラフェンとから成る導電性コンポジットを得る工程であって、該マトリクスは少なくともその一領域において、ｎ型、又は少なくともｎ型が優位な電荷キャリア伝導性を備えることでユニポーラ性を示す、工程と、
   を有する導電性コンポジットの生成プロセス。
6. 前記担体液が水である、及び／又は前記導電性コンポジットが導電性薄膜コンポジットである、請求項５に記載のプロセス。
7. 酸化グラフェンを前記担体液中に超音波混合することにより前記懸濁液を得る、請求項５又は請求項６に記載のプロセス。
8. ＮＣＣの質量濃度が７％より大きく且つ３５％未満である様に、前記懸濁液中のＮＣＣの質量濃度を選択する、請求項５乃至請求項７のいずれか１項に記載のプロセス。
9. 加工物の製造に於ける、請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の導電性コンポジットの使用。
10. 請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の導電性コンポジットを含む加工物。

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