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デバイス・応用

指先につけるだけで非破壊検査できるデバイスを開発 ~カーボンナノチューブ膜によるテラヘルツ検査チップ~

 東京工業大学は2018年6月28日, 同大学 科学技術創成研究院の河野 行雄 准教授らと,産業技術総合研究所 ナノ材料研究部門の桒原 有紀 博士らが,カーボンナノチューブ膜を材料としたウェアラブルなテラヘルツ検査デバイスを開発した,と発表した.大規模な測定系を必要とせずに,指先につけるだけで配管の亀裂検査といった非破壊検査が可能になるという.本研究は,国立研究開発法人 科学技術振興機構(JST)による未来社会創造事業,地域産学バリュープログラムの支援,及び日本ゼオン株式会社の試料提供を受けて実施され,研究成果は米国化学会刊行のACS Applied Nano Materialsに掲載された(注).

 工業用部品や医薬品などの品質を保証するため,製品への異物混入や変形・破損を検査する高機能な計測技術が一層求められるようになっている.これに対し,近赤外光とマイク波の中間の波長域にある,周波数100GHz~10THz程度のテラヘルツ光(THz光)が新たな測定手段として期待されるようになった.一方,検査対象製品の形状には凹凸があり,計測端を密着させて内部の状況などを調べるには,フレキシブルなTHzセンサが求められる.カーボンナノチューブ(CNT)膜の光熱起電力効果(光照射によって発生した温度差による熱起電力)は,この要請に応える有力な手段である.しかし,フレキシブルCNT THz検出器で高感度を実現するには,CNT膜の「熱雑音の低減」,「THz光に対する吸収率の向上」,「相対ゼーベック係数(異種材料間の熱起電力差)の向上」の3つが重要な課題であった.

 これらを解決する鍵となるのがCNT膜の電子の化学ポテンシャルに当たるフェルミ準位の制御である.研究グループは,まず,通常は半導体型と金属型CNTが混合しているCNT分散液を,それぞれの型に分離した.半導体型CNTを30μm厚に成膜し,イオン液体を挟んでゲート電極に電圧を印加すると,電気二重層が形成され,CNTのフェルミ準位が変化する.印加電圧を0.7Vから1.5Vに上げると低周波のノイズ電圧は約1/1000に下がった.2THzの電磁波吸収率は電圧によって大きく変化し,オンオフ比は約2,700となった.また,クラウンエーテルのNaOH溶液による化学ドーピングを行うと,ゼーベック係数(単位温度差あたりの熱起電力)は無添加の時の50μV/Kから,0.3mol/L以上の添加で-50μV/Kにまで変化し,化学ドーピングによってフェルミ準位の制御ができた.CNT膜のフェルミ準位の位置とテラヘルツ応答の強度は密接な関係にあり,フェルミ準位位置の最適化により上述の3つの課題を同時に克服することができた.

 この化学ドーピングしたCNT膜を用いて,フレキシブルテラヘルツ検出器を作製した.折り曲げ可能な耐久性を有するため,グローブの指先に装着してウェアラブルなテラヘルツ検査デバイスを開発した.このテラヘルツ検査デバイスは,工場内の配管設備など複雑に入り組んだ環境の測定箇所に潜り込ませることができ,THz波の応答から配管の破断箇所の検出に成功した.

 今後は検出器のさらなる多素子化,微弱信号の高感度読み出し回路や無線通信との結合などを行うことで,来たるIoT(モノのインターネット)社会に貢献するセンシングシステムを構築するとしている.

(注)Daichi Suzuki, Yuki Ochiai, Yota Nakagawa, Yuki Kuwahara, Takeshi Saito, and Yukio Kawano, "Fermi-Level-Controlled Semiconducting-Separated Carbon Nanotube Films for Flexible Terahertz Imagers", ACS Applied Nano Materials, Vol. 1, No. 6 pp 2469-2475 (2018), DOI: 10.1021/acsanm.8b00421; Publication Date (Web): June 6, 2018