廃棄される「ズワイガニ」が半導体材料に、東北大学らが発見：n型半導体特性を確認（1/2 ページ）

東北大学は2024年3月25日、カニ殻から得られるキトサンのナノファイバーシートが、直流／交流変換、スイッチング効果、整流作用などの半導体特性と蓄電効果を発現することを発見したと発表した。

[半田翔希，EE Times Japan]

　東北大学未来科学技術共同研究センターおよび東京大学らの研究グループは2024年3月25日、カニ殻から得られるキトサンを使ったナノファイバーシートが、直流／交流変換、スイッチング効果、整流作用などの半導体特性と蓄電効果を発現することを発見したと発表した。

　キトサンは、セルロースに次いで地球上で2番目に賦存量が多いバイオマス化合物だ。カニやエビなどの甲殻類の殻、イカの骨などを構成するキチン（N-アセチルグルコサミンのポリマー）から容易に生成できるが、現状は使い道がなく廃棄物として扱われている。

「紅ズワイガニの殻」を基に半導体材料を作成

　同研究グループは実験で、紅ズワイガニの殻から作られたキトサンナノファイバーを原材料として、ファイバー長さを300nm以下に制御したセルロースナノファイバーシートをアルミニウム電極で密着させたデバイスを作成。デバイスのI-V特性、ACインピーダンス、周波数解析、蓄電性などの電気的特性を測定した。

　キトサンナノファイバーシートに対し、−210〜＋80Vの範囲で電圧を昇降（上下操作速度は毎秒1.24V）させ、I-V特性を計測した。結果、ある電圧以上になると電流が低下する負性抵抗が発現し、n型半導体特性を持つことが分かった。曲線は−180〜−170V間で振動し、−180Vにおける高速フーリエ変換（FFT）スペクトルには7.8MHzの交流波形が現れた。

−210V〜+80Vの電圧間を上下操作速度毎秒1.24Vで昇降させた時のI-V特性。挿入図は、−180Vで7.8MHzを示すFFTスペクトラム［クリックで拡大］ 出所：東北大学

　次に、R-V特性を解析したところ、昇圧−1V〜0V間と降圧+2V〜0V間に3桁のスイッチング効果を示す特性を確認した。蓄電性について、2mAの電流で10〜500Vの電圧まで5秒間充電した後、1μAの一定電流で放電した時の充電電圧に対する蓄電量の変化を測定した。その結果、蓄電量は電圧の増加に伴って直線的に増加し、450Vから急増した。

昇圧−1V〜0V間と降圧+2V〜0V間に3桁のスイッチング効果を示す特性［クリックで拡大］ 出所：東北大学

キトサンナノファイバーデバイスの荷電圧と蓄電エネルギーの関係。挿入図は、2mA、500Vで5秒間充電した後、1μAの一定電流で放電した放電挙動［クリックで拡大］ 出所：東北大学