半導体材料で新たな光機能性を解明、北海道大：銅添加タングステン酸結晶を作製

北海道大学は、銅を添加したタングステン酸半導体ナノ材料を作製することに成功した。その上で、この材料が「静電容量性」と「導電性」の両挙動を示すことを明らかにした。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

作製した材料が「静電容量性」と「導電性」の両挙動を示す

　北海道大学大学院工学研究院附属エネルギー・マテリアル融合領域研究センターの張麗華准教授と渡辺精一教授らによる研究グループは2026年6月、銅を添加したタングステン酸（WO₃・H₂O）半導体ナノ材料を作製することに成功したと発表した。その上で、この材料が「静電容量性」と「導電性」の両挙動を示すことを明らかにした。

　光応答性ナノ粒子を均一に分散させた材料は、持続可能なエネルギー利用やフォトニクスなどに応用されている。特に、静電容量性を持つ材料や、電圧印加および光照射により導電性を示す材料などは、半導体材料としてLED照明や太陽電池、光触媒といった用途で利用されている。

　研究グループは今回、水と光のみを用いる「水中結晶光合成（SPsC）」と呼ぶ独自の合成法を採用。過酸化水素で溶かしたタングステン水溶液に微量の銅を添加して紫外線を照射し、銅添加のWO₃・H₂O半導体ナノ材料を作製した。この材料は、ナノ結晶の合成過程において不純物や酸素欠陥を調節すれば、紫外から近赤外に至る全太陽光スペクトルを利用できることが分かっていた。

　研究グループは、合成した材料を用いてデバイスを作製し、可視光を照射しながら光電気化学測定を行った。この結果、電位掃引速度（スキャンレート）に応じて、「静電容量性（キャパシター的）挙動」と「導電性（コンダクター的）挙動」を示すことが分かった。しかも導電時には、光照射強度に比例してキャリア電子の密度が、光電流値とともに増えることも明らかになった。さらに、光水分解による水素生成の工程で、光照射が増えていくと過電圧が100mV近くまで減少する利得性を、実験と定式理論によって実証した。

銅添加のWO₃・H₂Oナノ粒子デバイスの光電気化学（CV）測定結果［クリックで拡大］ 出所：北海道大学

銅添加のWO₃・H₂Oの静電容量性−導電性遷移のCV測定結果［クリックで拡大］ 出所：北海道大学

銅を1％添加したWO₃・H₂Oの光水分解の水素発生過電圧の光強度依存性（実験と理論の比較）［クリックで拡大］ 出所：北海道大学