VO2は温度変化、格子歪み、電界効果などの様々な外場に応答して金属-絶縁体転移と呼ばれる巨大抵抗変化を発現する材料として知られています。
上のグラフから、温度変化に伴い抵抗値が3桁程度変化している様子がわかります。
本研究では、外場の中でも格子歪みに着目し、従来にない巨大歪みゲージをもつフレキシブル歪みセンサーの開発を行っています。
左のグラフからは格子歪みによる巨大な抵抗変調を期待できることが示唆され、また右のグラフからは歪み効果が転移温度の変化に大きく影響していることが分かります。
■ VO2のバンド図 （金属状態時）
VO2の電気伝導は、バナジウムの3d軌道のt2g軌道が主に担っています。
その中でも、最低準位のdx2-y2の軌道に電子がひとつ詰まることで金属的なバンド図を示すと考えられています。
■ VO2のバンド図 （絶縁体時）
一方低温領域では、バナジウム原子同士でダイマーを形成し、その結果、dx2-y2の軌道の対称性が高くなり、軌道が二つに分裂しパイエルスギャップが開きます。
・単結晶VO2薄膜をフレキシブル化することができれば…
結晶変化により3桁以上にも及ぶ抵抗変化を起こす、歪み敏感なVO2をフレキシブル化することができれば、様々なデバイス応用が考えられます。
例として、トンネルやダムにひびができていないか監視を行うことや、フレキシブルなセンサーは生体とも相性が非常に良いため医療分野への展開などが考えられます。
現在の一般的なフレキシブル歪みセンサーは、Ni合金系で作られていますが、歪み感度が十分とは言えず、増幅回路が必要であったり、マイクロ歪みの計測が難しいなどの問題があります。
VO2を用いたフレキシブル歪みセンサーは、Ni合金系の性能を大きく超えることが期待できます。
■ 単結晶VO2フレキシブルデバイス
本研究では、単結晶VO2薄膜をフレキシブルシート上に転写する手法を確立しました。
この学術的なメリットは、[001]方向の歪みのみならず[110]方向など任意の結晶方位への歪み効果を調べることができるという点です。
そしてこの研究の意義は、次のとおり2つあると考えています。
１．単結晶VO2における異方性結晶歪みと電気伝導特性との相関解明
２．多彩な物性を示す強相関酸化物における異方性歪み効果と電気伝導特性との関係性を調べるための指針を提供
・作成方法
MgO(110)基板を用いて、PLD法によりバッファー層のTiO2、そしてVO2を蒸着します。
このVO2薄膜にXRDを行った結果が左上のグラフとなっており、Out-of-planeでVO2ピークが確認できたことに加え、φ測定で二回対象が得られたことから単結晶であるといえます。
その後ウェットエッチングにより、MgO基板からVO2薄膜を剥離し、フレキシブル基板へと転写します。
この剥離プロセスは、MgO基板の表面改質を事前に行うことで可能となりました。
さらに、反応性イオンエッチングを用いて、VO2をワイヤー状に加工し、スパッタにより両端に電極を蒸着し完成となります。
■ 歪み印加用曲面試料台と電気伝導測定
  
写真のように、曲率台にVO2フレキシブルデバイスを張り付けることで精密歪み印加を実現しました。
歪み量の具体的な計算方法としては、上で示す公式により計算します。
𝜀=0, ±0.125, ±0.25 %の歪みをVO2へ印加
ここでVO2薄膜の厚さは、ポリイミドに比べVO2薄膜が十分小さいとして近似し、曲率台の曲率半径を変えることでこのような様々な歪み量印加を行いました。
■ 単結晶VO2のゲージ率の導出
ゲージ率とは、歪みに対して抵抗値がどの程度変化するか示した指標であり、この値が大きければ大きいほど歪み感度が高いことを意味します。
先ほど例として挙げた、Ni合金系ではゲージ率は2程度です。
左のグラフはVO2の[001]方向のゲージ率の温度依存性を示します。
転移温度近傍では、10の3乗のオーダーのけた外れに大きいゲージ率を示しています。
また、実用上重要な室温近傍を拡大したものが右のグラフになります。
摂氏60度程度まで安定して200程度のゲージ率を示す上、引張りと圧縮とで逆側に抵抗値が変化します。
■ フレキシブルVO2歪みセンサーの動作実証
・人差し指の第一関節の動き(曲げと反り)計測
フレキシブルVO2歪みセンサーを作製し(左写真)、人差し指の第一関節に張り付け、動作実証を行いました(右写真)。
指曲げに応答し抵抗値が大幅に上昇し、指反りに応答し抵抗値が大幅に下降している様子が分かります(中央グラフ)。
この抵抗値の変化量は、Ni合金に比べ、約100倍の性能を示すと考えています。
増幅回路無しで指の動き探知に成功
|
