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機能性液体を用いて電子・エネルギーデバイスを
印刷するように作製する研究

下田研究室 SHIMODA Laboratory
教授:下田 達也(Shimoda tatsuya)

E-mail:tshimodajaist.ac.jp
[研究分野]
液体プロセス、表面力・分子間力、ナノ領域の電子物性、液体シリコンおよび酸化物材料
[キーワード]

研究を始めるのに必要な知識・能力

物理(特に電磁気学、熱力学、量子力学)と化学(特に有機材料、物理化学)の基礎、大学初級の数学、固体物性論、半導体工学基礎、ある程度の英語力

この研究で身につく能力

  • 全体としては、自ら課題を抽出してテーマ化できる能力、テーマを推進するのに必要な情報の収集能力、テーマを具体的な研究計画に転換する能力、結果を系統的にまとめて論文化する能力、等を身につけることができ、社会に出て優れた研究者、技術者として活躍できる能力が得られます。
  • 科学技術的な能力としては、溶液や機能性固体の物性に対する知識、溶液から固体化への変化を研究することで物質変化の理解、デバイスを作製することでトランジスタ等の電子デバイスの理解や作製プロセスに関する知識、そして分析・解析装置、シミュレータを用いることによって解析に対する理解、が得られ、科学技術関連の職に従事する基礎能力が身につきます。
  • 研究やゼミを通じて英語力の向上に力を入れていますので、しっかりした英語力が身につきます。

【就職先企業・職種】 電子機器製造、材料製造、機械装置製造

研究内容

マイクロ液体プロセスの研究

インクジェットを用いて電子デバイスを印刷するように作製する研究を行ってきています。研究内容は、機能性インクの開発とその製膜法の研究、機能性インクをインクジェットで基板上の決められた位置に正確にパターニングする技術、それらを用いたデバイスの作製等です。今までに、液晶用カラーフィルター、有機EL ディスプレイ、有機トランジスタ、マイクロレンズアレイ、等をインクジェットで印刷を行いました。これら支える科学として、分子間力の研究を行っています。分子間力としてファンデルワールス相互作用、酸塩基相互作用の計測と計算を行い、表面張力、濡れ性、撥水性、分散性、吸着、凝縮等を定量的に把握し、溶液開発、パターニング、乾燥製膜の制御に活かしています。

液体シリコンと液体材料を用いた酸化物材料の研究

インクジェットのシリコン(Si)インクとして液体Si を開発しました。シクロペンタシランを光重合するとポリシランが得られます。それに有機溶剤を加えると真性(i 型)Si インクが作製できます。重合時に白リンあるいはデカボランを加えるとn 型とp 型のドープインクが作製でき、それらからi 型、p 型、n 型のアモルファスSi 薄膜、多結晶Si 薄膜、単結晶Si 薄膜が作製できます。電子デバイスとして、p-i-n 型のアモルファスSi 太陽電池を塗布プロセスのみで作製し、動作させることができました。一方、酸化物系の材料としては、有機金属化合物を用いて、半導体材料、導電材料、絶縁材料、強誘電体材料用の前駆体インクを開発し、それらを用いてインプリント、スクリーンプリント法で電子デバイスの作製研究を行っています。

ナノレオロジープリンティングの研究

数十nm のプリンティングを実現する手法としてナノレオロジープリンティング(n-RP)法を開発しました。有機金属化合物から作製した酸化物前駆体インクからクラスターゲルという特殊な構造のゲルにインプリント加工を施すと、温間で塑性変形してインプリント加工ができます。このような能力を持つ、半導体材料、導電材料、絶縁材料、強誘電体材料用のゲルを開発し、n-RP 法のみによって微細なトランジスタを開発することができました。現在、n-RP 法用の材料開発、n-RP 法を用いた大規模デバイスの開発、n-RP 法における変形メカニズム解明、微細薄膜のレオロジー研究、高精度アライメント開発等を行っています。

主な研究業績

  1. ナノ液体プロセスの研究  H. Sirringhaus, T.Kawase, R.H. Friend, T. Shimoda, M. Inbasekaran, W. Wu and E. P. Woo: “High-Resolution Inkjet Printing of All-Polymer Transistor Circuits”, Science 280, 2123(2000).
  2. 液体シリコンと液体材料を用いた酸化物材料の研究   T. Shimoda, Y. Matsuki, M. Furusawa, T. Aoki, I. Yudasaka, H. Tanaka, H. Iwasawa, D. Wang, M. Miyasaka and Y. Takeuchi, “Solution-processed silicon films and transistors”, Nature, Vol.440, No.7085(2006)pp.783-786.
  3. ナノレオロジープリンティングの研究  Toshihiko Kaneda, Daisuke Hirose, Takaaki Miyasako, Phan Trong Tue, Yoshitaka Murakami, Shinji Kohara, Jinwang Li, Tadaoki Mitani, Eisuke Tokumitsu and Tatsuya Shimoda, “Rheology printing for metal-oxide patterns and devices”, J. Mater. Chem. C, 2014, 2, 40–49.

使用装置

インクジェット装置、インクジェットの解析装置
熱インプリント装置、UVインプリント装置、インプリント用高精度アライナー
電気特性測定装置一式(半パラ、インピーダンスA、高精細ブローバ、ホール想定、等)
スパッタ、ICPエッチャー、UVオゾン、アニール用緑レーザ、RTA
分析装置:FT-IR、SPM、UV-vis、TG/DTA、接触角系、分光エリプソ、卓上SEM、光学顕微鏡

研究室の指導方針

今後、資源やエネルギーの枯渇、温暖化ガスによる気候変動や環境破壊は大変深刻な問題である。当研究室では、それらを抜本的に解決する技術の研究開発を行っている。従って、当研究室では自分の研究と社会との関連を常に意識してテーマの選定や推進を心がけている。学生の能力に関しては基礎知識の修得、テーマ推進能力、科学的な思考力、の育成と向上に重点を置いている。学生の自主性を尊重し、それをうまくガイドすることによってそのような能力の向上を図っている。英語は国際語であるので研究やゼミを通じて英語力の向上に努めている。

[研究室HP] URL:http://www.jaist.ac.jp/ms/labo/shimoda.html

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