【本学研究者情報】

〇多元物質科学研究所　教授　殷シュウ
研究室ウェブサイト

【発表のポイント】

• 理論計算により、センサーに用いる材料がガスに応答するパターン（センシング挙動）を予測することに成功しました。
• 材料に不純物となる元素を添加すること（元素ドーピング）により、ガス応答パターンを精密制御し、逆転させることに成功しました。
• ガスセンシング挙動によって「ガス応答選択性」を判定できる学術コンセプトを提案し、その有効性を実証しました。さまざまな材料におけるさらなるガスセンシング選択性制御が可能であることが明らかになりました。

【概要】

ガスセンサーは、私たち人間の社会活動に不可欠なデバイスの一つとなっています。しかしガスセンシング材料の応答パターン（センシング挙動）のメカニズムは解明されていませんでした。

東北大学多元物質科学研究所の殷澍教授（同 材料科学高等研究所（WPI-AIMR） 連携教授 兼務）が率いる研究チームおよび北陸先端科学技術大学院大学サスティナブルイノベーション研究領域の前園涼教授、大阪大学産業科学研究所の関野徹教授らは、単相二酸化バナジウムVO₂（M1相）^（注１）のフェルミ準位^（注２）を元素ドーピングにより制御し、電気抵抗の変化（増加、または減少）およびガス応答パターンを逆転（本来のn型半導体的な性質に由来する「下向き応答パターン」と異なり、逆の「上向き応答パターン」に変化）させることに成功しました。また、タングステン元素を添加（ドープ）したVO₂を例として、そのガスセンシング挙動に及ぼす要因や制御パラメーターの影響を詳細に検証しました。

本研究成果は、2025年1月9日（現地時間）に米国化学会の科学誌ACS Sensorsにてオンライン公開されました。

【用語解説】

注1.二酸化バナジウムVO₂（M1相）： 二酸化バナジウムの低温相であり、単斜晶系に属します。結晶構造では、バナジウム（V）原子がV-Vペア（一列に並んだ構造）を形成し、V原子と酸素（O）原子が八面体型配位をとります。M1相は絶縁体であり、約68℃を超えると正方晶系で金属状態のR相（ルチル構造）に変化します。

注2.フェルミ準位:「電気化学ポテンシャルエネルギー」とも呼ばれ、電子が存在する確率が50%になるエネルギー準位です。これにより、物質の電気伝導度が決まります。特に、フェルミ準位の位置によって金属、絶縁体、半導体の分類が行われます。

【論文情報】

タイトル：W/Mo/Cr Doping Modulates the Negative-Positive Inversion Gas Sensing Behavior of VO₂(M1)
著者： Lei Miao, Yibei Xue, Peng Song, Takuya Hasegawa, Ayahisa Okawa, Ryo Maezono, Tohru Sekino, Shu Yin*
*責任著者：東北大学多元物質科学研究所　教授　殷澍（同大 材料科学高等研究所（WPI-AIMR） 連携教授 兼務）
掲載誌：ACS Sensors
DOI：10.1021/acssensors.4c03006

詳細（プレスリリース本文）

問い合わせ先

（研究に関すること）
東北大学多元物質科学研究所
教授　殷　澍（イン　シュウ）
TEL:022-215-5597
Email: yin.shu.b5*tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）

（報道に関すること）
東北大学多元物質科学研究所 広報情報室
TEL: 022-215-5198
Email: press.tagen*grp.tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）