利用報告書 / User's Reports

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【公開日:2025.06.10】【最終更新日:2025.05.01】

課題データ / Project Data

課題番号 / Project Issue Number

24NM5415

利用課題名 / Title

固体電解質界面の研究

利用した実施機関 / Support Institute

物質・材料研究機構 / NIMS

機関外・機関内の利用 / External or Internal Use

内部利用(ARIM事業参画者以外)/Internal Use (by non ARIM members)

技術領域 / Technology Area

【横断技術領域 / Cross-Technology Area】(主 / Main)加工・デバイスプロセス/Nanofabrication(副 / Sub)-

【重要技術領域 / Important Technology Area】(主 / Main)革新的なエネルギー変換を可能とするマテリアル/Materials enabling innovative energy conversion(副 / Sub)-

キーワード / Keywords

全固体電池/ All-solid battery,蒸着・成膜/ Vapor deposition/film formation,光リソグラフィ/ Photolithgraphy,膜加工・エッチング/ Film processing/etching


利用者と利用形態 / User and Support Type

利用者名(課題申請者)/ User Name (Project Applicant)

土屋 敬志

所属名 / Affiliation

物質・材料研究機構

共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes

柴田 馨,武井 俊朗

ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes

藤井 美智子,尾崎 康子,河野 久雄

利用形態 / Support Type

(主 / Main)機器利用/Equipment Utilization(副 / Sub),技術補助/Technical Assistance


利用した主な設備 / Equipment Used in This Project

NM-665:電子銃型蒸着装置 [ADS-E810]
NM-636:マスクレス露光装置 [DL-1000]
NM-645:ICP-RIE装置 [CE300I]
NM-647:FE-SEM+EDX [S-4800]
NM-654:触針式プロファイラー [Dektak 6M]


報告書データ / Report

概要(目的・用途・実施内容)/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)

電解質に液体でなく固体を用いる全固体電池は、低炭素社会実現に向けた次世代電池の最有力候補である。高いエネルギー密度、高い安全性、長寿命など固体ならではのメリットが期待がされる一方、リチウム固体電解質/電極界面の高い界面抵抗に由来する出力低下が本格的普及への課題の一つとなっている。そこで本研究では、固体電池の界面抵抗と密接に関係する固体電解質の界面の調査を行う。本研究では酸化物固体電解質薄膜と半導体界面の空間電荷層の挙動を薄膜デバイスを用いて調査することを目的とする。

実験 / Experimental

本研究では、高い不活性を有するSiCにp型ドーパントであるAlをドープしたのち、マスクレス露光装置とICP-RIE装置を用いたエッチングによって厚さ18 nmのチャネルを作製し電子銃型蒸着装置で電極を成膜した。全固体電池に広く使用される固体電解質としてRFスパッタ法を用いて室温でLi3PO4を成膜することで電界効果トランジスタを作製した。スパッタ前後の抵抗がほとんど変化していないことからスパッタによるダメージはほとんどないことを確認した。

結果と考察 / Results and Discussion

本研究では、p型ドープSiCをチャネル材料とする電界効果トランジスタを作製し、様々なゲート電圧下でのチャネル抵抗、キャリア移動度、キャリア密度の変化をホール測定により評価した。作製したデバイスはゲート電圧を変化させることでSiC/ Li3PO4薄膜界面近傍の電気二重層の状態が変化しチャネル抵抗が変化する。例えば正のゲート電圧を印加したときにはLi+イオンが電解質中をSiCチャネル方向に移動し、SiCチャネル界面に正電荷が高密度に蓄積する。その結果、SiCチャネル表面で多数キャリアである正孔の空乏が起こることでチャネル抵抗が増加する。ゲート電圧を0Vから3Vの範囲で変化させながらホール測定を行った結果、正のゲート電圧を増すに従いキャリア密度、および移動度の低下が観察された。キャリア密度の低下は先述の電気二重層効果、移動度の低下はSiCチャネル近傍の電界の影響によって合理的に説明でき、SiC/ Li3PO4薄膜界面近傍の電気二重層の変化に対応すると思われる。

図・表・数式 / Figures, Tables and Equations
その他・特記事項(参考文献・謝辞等) / Remarks(References and Acknowledgements)

本研究はJST革新的GX技術創出事業(GteX)、JPMJGX23S2の支援を受けて実施された。


成果発表・成果利用 / Publication and Patents

論文・プロシーディング(DOIのあるもの) / DOI (Publication and Proceedings)
  1. Kaoru Shibata, Investigation of electric double layer effects at Li3PO4 Li+ solid electrolyte thin film interfaces using a field-effect transistor with Al-doped SiC (0001) single crystal, Japanese Journal of Applied Physics, 64, 02SP04(2025).
    DOI: 10.35848/1347-4065/adabef
  2. Kaoru Shibata, Evaluating Electric Double Layer Effects at Solid Electrolyte Interfaces with Field-Effect Transistor Utilizing p-Doped SiC (100) Single Crystal, ECS Meeting Abstracts, MA2024-02, 3480-3480(2024).
    DOI: 10.1149/MA2024-02483480mtgabs
口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.
  1. SHIBATA, Kaoru, NAMIKI, Wataru, NISHIOKA, Daiki, TERABE, Kazuya, TSUCHIYA, Takashi. Evaluating electric double layer effects at solid electrolyte interfaces with field-effect transistor utilizing p-doped SiC (100) single crystal. PRiME 2024. October.2024
特許 / Patents

特許出願件数 / Number of Patent Applications:0件
特許登録件数 / Number of Registered Patents:0件

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