ナノテク情報

物性・原理

厚さわずか2ナノメートルの半導体極薄トランジスタで分子認識に成功! ~医療・環境・生産に特化した分子センサーへの応用に期待~

 東北大学は2021年8月25日,同大学多元物質科学研究所の米田 忠弘教授,高岡 毅講師,および国立研究開発法人 産業技術総合研究所デバイス技術研究部門の安藤 淳研究部門付らが,厚さわずか2 nmの半導体を用い,縦横サイズが1 μm程度の超小型半導体薄膜からなる分子認識センサーを作成した,と発表した.本研究の一部は,独立行政法人 日本学術振興会の科研費(基盤研究(S))助成を受けて行われ,成果は英国王立化学会のRSC Advances誌に掲載された(注).

 現代社会ではさまざまなセンサーが使われており,センサーに対する超小型化へのニーズも多い.とくに気体や液体中に含まれる分子種を特定するには,各種の分光法,質量分析,クロマトグラフィーなどの測定手法が利用されるが,何れもある程度の大きさの装置が不可欠で大型になることが避けられない.半導体を利用した電界効果トランジスタ(FET)に分子を吸着させ,トランジスタの特性変化を検出することも試みられているが,分子種を特定することは困難であった.本研究において,研究グループは,数個の原子層からなる極薄膜半導体を用い,分子吸着と光応答を組み合わせることで,超小型な分子認識手法を開発した.

 分子の電子軌道には,それぞれ特有の最高被占軌道(HOMO)と最低空軌道(LUMO)が存在する.本手法はHOMOとLUMOの差ΔEが吸着分子を特徴付けることを利用したものである.実験では,裏面ゲート電極を設置したSi基板の酸化膜上にチャネルとなる3原子層厚み(約2 nm)の機械剥離二硫化モリブデン(MoS2)薄膜を設置し,この両端にソース電極とドレイン電極を設けた大きさ約1 μmのFETを使用した.ゲート電極と対向する半導体表面にターゲットとなる分子を吸着させる.光を照射すると,吸着分子固有のΔEに等しいエネルギーを持つ光を吸収したとき,励起した吸着分子のHOMOに正孔,LUMOに電子が生成する.LUMOに励起された電子は,吸着分子中に形成された分子誘起準位(MIS)を経て同レベルのMoS2伝導帯端に遷移し,ドレイン電流に加わる.モデルとした吸着分子にはπ電子共役分子である銅フタロシアニン(CuPc)を使い,モノクロメーターを通した波長400から900 nmの光を波長掃引照射してドレイン電流と波長の関係を測定した.吸着分子が無い場合のドレイン電流との差異から吸着分子が励起される波長が求められる.この実験で吸着分子は波長705 nm(1.76 eV)の光で励起された.これは別に求められているCuPcの光吸収と一致しており,吸着分子固有の励起波長光照射によるFET電流の増加を利用する本手法による分子認識の妥当性が示された.

 本成果は,分子を吸着した半導体に分子特有のエネルギーを持つ光を照射すると,光応答電流が流れるという初めての報告である.研究グループでは,本技術が,生体モニタリング,環境モニタリング,農産物生育状態モニタリングなどの技術革新につながることを期待している.

(注)Md Iftekharul Alam, Tsuyoshi Takaoka, Hiroki Waizumi, Yudai Tanaka, Muhammad Shamim Al Mamun, Atsushi Ando, and Tadahiro Komeda, "Sensor Behavior of MoS2 Field Effect Transistor with UV/Vis Light Injection Toward Chemical Recognition", RSC Advances, 2021, 11, 26509 - 26515, DOI: 10.1039/d1ra03698j; First published 03 Aug 2021