2025年 | プレスリリース?研究成果

【本学研究者情報】

〇未来科学技術共同研究センター　
シニアリサーチフェロー　福原幹夫
研究者情報

【発表のポイント】

• 一年草のケナフ^（注1）から得られるアモルファス^（注2）セルロースのナノ粒子（Amorphous Kenaf Cellulose Nano-Particle：AKCNP）を用いて、5桁の増幅作用と、高いオン/オフ比^（注3）等の特性を示す金属半導体電界効果型トランジスタ^（注4）（MESFET）の作製に成功しました。
• AKCNPの伝導電子は複数の糖分子の共有結合であるグリコシド結合の酸素（O）原子誘起ラジカル^（注5）でした。
• 再生可能な天然化合物であるバイオ素材の携帯用ペーパーエレクトロニクス^（注6）への利用が期待されます。

【概要】

セルロースは地球上で一番生産量が多い(約1,000億トン/年)バイオマスであり、カーボンニュートラルとして地球温暖化?沸騰化の救世主となる素材として現在最も注目されている材料の一つです。

東北大学未来科学技術共同研究センターの福原幹夫シニアリサーチフェローと橋田俊之特任教授、同大学大学院工学研究科小野崇人教授、静岡大学工学部藤間信久教授らの研究グループは共同で、AKCNPを利用したショットキー接合^（注7）によりn型バイオ半導体 MESFETを作製し、負のゲート電圧で3.5桁の増幅作用と、正のゲート電圧において不揮発性メモリ効果^（注8）に対する6173という高いオン/オフ比が発現することを見出しました。また、伝導電子がセルロース分子中のグリコシド結合の酸素O原子の誘起ラジカルであることを、電子スピン共鳴法^（注9）の測定から明らかにしました。

研究グループは、セルロ―スの次に大量に存在する動物性バイオマスであるキトサン^（注10）のナノファイバーでも半導体特性を既に発見しており、低廉で自然界に広く存在するバイオ素材による半導体作製、さらにはペーパーエレクトロニクスへの展開が期待されます。

本研究成果は、2025年7月29日に米国物理学協会（AIP）のオープンアクセスジャーナルAIP-Advancesに掲載されました。また本論文は、注目度の高い論文としてEditor's pickに選定されました。

【用語解説】

注1．ケナフ：西アフリカを起源とするアオイ科フヨウ属の１年草の植物。繊維質が木と非常に似ているため紙の原料に使われ、アメリカの新聞紙の約６割に使用されている。育てやすく、4カ月で4～5メートルに成長する。栄養価あり（カルシウム、鉄、ビタミン B2）、炭酸ガス吸収は木の3～9倍、汚泥中の窒素、リンを多量吸収する環境保全材である。

注2. アモルファス：ガラスのように、元素の配列に規則性がなく全く無秩序な材料です。結晶材料とは異なる種々の特性を示す。

注3. オン/オフ比: トランジスタなどの電子部品において、オン状態（電流が流れる状態）とオフ状態（電流が流れない状態）の電流値の比率のこと。この比率が大きいほど、スイッチング素子として優れているとされる。特に、ディスプレイデバイスにおいては、106乗以上のオン／オフ比が求められることが多い。

注4. 金属半導体電界効果型トランジスタ:（metal-semiconductor field effect transistor：MESFET）は電界効果トランジスタの一種。ショットキー接合性の金属をゲートとして半導体上に形成した構造を持つ。

注5. グリコシド結合の酸素（O）原子誘起ラジカル:セルロースβ-1,4 結合グルコサミン基O^●中の対電子をもつ酸素O原子から励起された不対電子。

注6. ペーパーエレクトロニクス:セルロースやキトサンを基材として紙本来の特性を利用したエレクトロニクス。

注7. ショットキー接合：金属の仕事関数Φmに比べ小さい仕事関数Φnを持つn型半導体(またはp型半導体)と金属を接触させたときの接合状態を指す。

注8. 不揮発性メモリ効果: 電源を切ってもデータが保持されるメモリの特性を指す。従来の揮発性メモリ（DRAMなど）は電源を切るとデータが消えてしまうが、不揮発性メモリは電源供給がなくてもデータを保存できる。

注9. 電子スピン共鳴法: ラジカル（不対電子）を持つ試料に磁場中でマイクロ波放射し，マイクロ波とラジカルの間で起こるマイクロ波を吸収して励起する原理を利用してラジカルの種類や量を測定する手法。ピークの中心位置で決定されるｇ値はラジカル固有の値をとり、g=2.0045の値より電子起源はグリコシド結合の酸素O原子の誘起ラジカルと判定されました。

注10. キトサン：カニやエビなどの甲殻類や昆虫の外殻に含まれるキチンから抽出される動物性食物繊維の一種。

【論文情報】

タイトル：Characteristics of Schottky gated field-effect transistors utilizing cellulose nanoparticles
著者： Mikio Fukuhara, Tomonori Yokotsuka, Tetsuo Samoto, Takahito Ono, Nobuhisa Fujima & Toshiyuki Hashida
*責任著者：東北大学未来科学技術共同研究センター　シニアリサーチフェロー　福原幹夫
掲載誌：AIP-Advances 15,075047(2025)
DOI：10.1063/5.0279007
URL: https://journals.aip.org

詳細（プレスリリース本文）

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東北大学未来科学技術共同研究センター広報
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