東北大学などの研究チームは11月12日、リン酸由来の官能基を導入したセルロースナノファイバーを使ってトランジスタを試作し、緑色光の照射によって電流が減少する現象を確認したと発表した。光の照射と電流測定によって電気的な応答を確かめるとともに、電子スピン共鳴測定と第一原理計算を組み合わせ、その発生機構を調べた。
研究には東北大学の福原幹夫氏、小野崇人氏、静岡大学の藤間信久氏、王子ホールディングスなどが参加した。東北大学によると、論文は2026年11月4日、査読付き学術誌『AIP Advances』に掲載された。論文のDOIは10.1063/5.0353127である。
加工したセルロースナノファイバーでトランジスタを試作
研究チームが使用したのは、リン酸エステル化したアモルファス（非晶質）のセルロースナノファイバー（APCNF）だ。リン酸エステル化とは、セルロースにリン酸由来の官能基を導入する化学処理を指す。アモルファスは、原子配列が結晶のような規則性を持たない状態を意味する。今回使用した繊維の直径は4.46nmだった。
試作したトランジスタは、アルミニウム製のソース電極とドレイン電極の間にAPCNFを配置し、金のゲート電極を接触させた三端子構造を持つ。金属と半導体のショットキー接合を利用し、ゲート電圧によって電流を制御する金属半導体電界効果トランジスタ（MESFET）である。光は素子の下側から照射した。
研究チームは、APCNFの光学特性も別途測定した。厚さ1μmのAPCNFシートについて、光の透過率は波長400nmで0.90、800nmで0.92となり、屈折率はそれぞれ1.58、1.52だった。高い透明性を示す測定結果だが、電極を含むトランジスタ全体の透過率を表したものではない。
490～550nmの緑色光で電流が減少
光照射試験では、ゲート電圧を-5Vから+5Vまで変化させながら、350～800nmの波長域でドレイン電流を測定した。その結果、490～550nm付近の緑色光を照射すると、ドレイン電流が大きく減少する現象が観測された。
一方、別途測定したゲート電圧とドレイン電流の関係を示す伝達特性では、ドレイン電圧1.0V、ゲート電圧4.1Vの条件で2.09mAの電流が得られた。この2.09mAは伝達特性の測定値であり、緑色光の照射前後で電流がどれだけ変化したかを示す数値ではない。
電流が減少する仕組みを電子スピン共鳴と第一原理計算で調査
緑色光の照射によって電流が減少することは実験で確認されたが、その原因を原子レベルで説明するには、電子状態を詳しく調べる必要がある。研究チームは、不対電子を検出する電子スピン共鳴法と、原子や電子の振る舞いを理論的に調べる第一原理計算を組み合わせ、電流が変化する仕組みを検討した。
東北大学の発表資料に基づき、今回の研究で得られた測定結果、計算による推定、応用構想を整理すると次のようになる。
| 方法と対象 | 得られた結果 | 結果の位置づけ |
|---|---|---|
| 試作MESFETへの光照射と電流測定 | 490～550nm付近でドレイン電流が低下 | 光照射試験で観測された電気的応答 |
| 電子スピン共鳴測定 | g値2.0052の信号を検出 | 研究チームが酸素由来のラジカルに帰属した測定結果 |
| 第一原理計算 | リン酸エステル結合の酸素原子にラジカルが優先的に局在すると推定 | ラジカルの位置に関する理論的な説明 |
| 大学が示した応用構想 | 窓やディスプレイと一体化した端末、生体センサーなど | 将来的な応用の展望 |
電子スピン共鳴測定で検出された信号から、研究チームは酸素由来のラジカルが存在すると判断した。ラジカルとは、不対電子を持つ原子や分子などを指す。さらに第一原理計算によって、この不対電子がリン酸エステル結合の酸素原子に優先的に局在すると推定した。電子スピン共鳴による測定結果と、ラジカルの具体的な位置に関する計算上の推定は区別する必要がある。
研究チームは、緑色光の照射によって自由電子が失われ、電流を運ぶ電子が少ない空乏層が広がることで、ドレイン電流が減少したと考えている。これは測定結果と計算に基づく機構の解釈であり、光照射時に各原子の電子状態がどう変化するかを直接観測したものではない。
透明な電子機器への応用と量産化の課題
研究チームは、APCNFの電気的な性質についても測定した。ホール係数から求めた電子移動度は16.33cm²/(V·s)で、電子が材料中を移動する際の動きやすさを示す。また、大気中光電子吸収分光装置による測定では、仕事関数が5.31eVだった。仕事関数は、電子を物質の内部から外部へ取り出すために必要なエネルギーを表す。いずれも材料の電気的特性を評価する指標であり、素子の消費電力やスイッチング速度を直接示すものではない。
今回の大学発表資料には、試作した素子の個数や測定の反復回数、結果のばらつきに関する詳しい記載がない。また、光の照射強度、測定時の温度・湿度、光スイッチングの実測応答時間に加え、第一原理計算で用いた計算セルや汎関数などの設定も示されていない。論文名とDOIを使った調査でも、この研究に対する独立した追試の公開資料は確認されていない。
東北大学は、今回の成果を光信号と電気信号を組み合わせる光電融合技術に応用するほか、透明性を生かして窓やディスプレイと一体化した情報端末、生体センサーなどに利用する構想を示している。一方、実用化に向けた製造上の課題として、APCNFを大面積で均一に処理する量産工程の確立を挙げた。異なる試料でも同様の光応答が得られるか、光の照射と遮断にどの程度の時間で応答するか、大面積でも均一な電気特性を維持できるかが、具体的な用途を判断するうえで重要になる。
