グラフェン ナノリボン。 グラフェンナノリボンで不揮発性メモリ、東北大が開発

グラフェンナノリボン:その合成と応用

グラフェン ナノリボン

スマートフォンをはじめ、あらゆる電子機器に組み込まれている半導体デバイスは、私たちの日常生活に欠かせないものになっている。 技術者たちはこの数十年間、半導体デバイスの微細化を進めることで、常にその性能を向上させてきており、現在では数10nmの領域を制御できるようになったという。 しかし、原子の大きさが有限である以上、この微細化競争がいつまでも続くわけではない。 これからの半導体デバイスは、どのような方針で開発されていくのだろうか。 今回、富士通研究所の佐藤信太郎主管研究員に、次世代の半導体デバイスの有力候補である「グラフェンナノリボン」について、詳しくお話を伺った。 ——半導体産業の現状について教えてください。 「半導体の集積密度は1. 5年ごとに2倍になるであろう」というムーアの法則に従うかたちで、特に1990年代のはじめから30年弱で、半導体産業は大きく成長しました。 しかし、次の30年はどうでしょうか。 実は、同じように成長できる技術的根拠がなくなってきたため、これまでほどには発展しないだろうと言われています。 微細化が進められてきたことにより、現在は数10nmのサイズの半導体デバイスが実現しているのですが、これ以上進めると微細化の弊害が出てしまうのです。 ——どのような弊害が出るのでしょうか。 たとえば、代表的な半導体デバイスであるトランジスタは、ゲートに電圧をかけることで電気を流すか流さないかのON/OFFを制御するのですが、ON/OFF時には、トランジスタそれぞれに流れる電流の比を4桁以上にしなければなりません。 つまり、ONのときに1A流れたとすると、OFFのときには0. 1mA以下でなければならないということです。 このまま微細化が進むと、さまざまな理由により漏れ電流が発生するため、この比を4桁以上にすることができなくなります。 もしこのトランジスタを実装したとすると、動作させていない状態のスマートフォンに電気が流れてしまい、電池がドンドン消耗するというようなことが起きてしまいます。 何かしらの技術でこの問題を防げたとしても、半導体デバイスを原子のサイズである0. 2nm程度より小さくすることは不可能ですので、現在の方向性ではどこかで行き詰まってしまうのです。 技術者たちは、次の一手をどうすべきなのか日々考えています。 ——たとえば、どのような解決方法が試されているのでしょうか。 ひとつは、シリコン以外の材料を使う方法です。 これまで主に利用してきたシリコンに比べると、GaAsやInGaAsのように2種以上の原子が結合してできる「化合物半導体」は、同じ電界をかけたときに電子がより速く移動できる、つまり移動度が高いため、それらを用いた半導体デバイスを作ろうとしています。 また、私の研究対象でもある「ナノカーボン材料」を使った開発も進められています。 ——ナノカーボン材料には、どのようなものがあるのでしょうか。 たとえば、炭素が六角形の構造を作り平面状に広がったものを「グラフェン」、その構造が三次元的に重なったものを「グラファイト」と言います。 また、炭素が正四面体構造で結合したものは「ダイヤモンド」で、まったく電気を通さなくなります。 両者ともカーボンからできているのに、一方では電気を通して他方では電気を通しません。 同じカーボンなのに構造が違うだけで性質が違うんですね。 ——面白い特性を持つのですね。 ナノカーボン材料は、半導体のどの部分に使われるのでしょうか。 たとえば、半導体チップに搭載された配線には、主に銅が使われています。 微細化に伴い配線幅は狭くなるのですが、細くなると断線のリスクが高くなってしまいます。 その点ナノカーボン材料は、電流密度を銅より3桁増やしても壊れない特性を持つので、銅の代替品として使うことができます。 ——銅よりも丈夫であるということですね。 他の特徴があれば教えてください。 移動度も大きく違いますね。 移動度が大きければ大きい材料ほどその内部で電子が速く動けるのですが、シリコンと比べるとナノカーボン材料の移動度は100倍程度大きくなるので、そのぶん性能は上がります。 また、熱伝導度も銅の10倍くらい高く、熱を溜めにくい特徴も持ちます。 材料の特性としては言うことなしなのですが、今の原理の延長で半導体デバイスを作ろうとすると、やはり行き詰まるので、材料だけではなく異なる動作原理も追求していかなければなりません。 ——異なる動作原理というのは、どういう意味でしょうか。 ノーベル物理学賞を受賞された江崎玲於奈さんが、既存のダイオードの動作原理とは異なる「トンネルダイオード」を発見されたように、現在一般的に使われている半導体デバイスとは異なる動作原理のものを探していかなくてはならないということです。 まだ結果は出ていないのですが、私は現在、ナノカーボン材料の持つ特性を利用した新しい動作原理を模索しています。 たとえば、グラフェンをぐるりと巻いて作る「カーボンナノチューブ」は、巻き方によって半導体になったり金属になったりします。 また、グラフェンを細いリボン状に切り取った「グラフェンナノリボン」は、やはり半導体になりますが、その幅によりバンドギャップが異なるという不思議な特徴を持ちます。 このような特徴はナノカーボン材料ならではもので、他の材料にはありません。 ——グラフェンがあれば、さまざまな半導体デバイスを作れるようになるということですね。 そうですね。 半導体チップにはシリコンが、超高周波デバイスなどには化合物半導体が、車体にはシリコンカーバイドやガリウムナイトライドのように、バンドギャップの大きな別の材料が使われています。 ナノカーボン材料を使えば、その構造や幅を変えるだけで、バンドギャップの大きな材料から小さな材料まで作れてしまうということです。 ここがナノカーボン材料のすごいところです。 さらにナノカーボン材料の他の特性を使った、新原理デバイスの探求も進めています。 ——逆に、ナノカーボン材料を使うデメリットはあるのでしょうか。 材料としては期待十分なのですが、大量生産のための技術が追いついていないことは課題です。 たとえば、グラフェンの厚みはたかだか原子一層分です。 ですので、少しでも汚れがついてしまうと、材料の特性に影響が出てしまいます。 また、カーボンナノチューブを大量生産できる工場はあるのですが、その巻きかたまでは制御できていません。 つまり、大量生産すると金属と半導体が混ざってできてしまうんですね。 ただ、シリコンを用いた半導体デバイスがはじめてできたときにも、多くの課題がありました。 このような課題は、実用化が進みさまざまな人たちが関わるようになることで、自然と解決されていくように思います。 ——佐藤研究員の研究する「グラフェンナノリボン」について、詳しく教えてください。 ナノリボンを作るには、グラフェンを1nmの幅に切る技術が必要です。 これがなかなか難しいんです。 はじめ技術者たちは、ナノリボンを通常の半導体製造工程である「トップダウンプロセス」で作ろうとしました。 直感的なイメージとしては、グラフェンにプラズマなどを照射して不必要な部分を取り除き、ナノリボンを作るということになります。 ただ、この方法では、リボンの側面の原子が欠損するなどの凹凸が生じて、側面が水素で終端する綺麗なナノリボンを作ることはできませんでした。 ——大きなものから小さいものを取り出すような方法では、限界があったということですね。 そこで私たちは、ナノリボンを「ボトムアッププロセス」で作ろうと考えました。 最初は海外の研究機関で試みられたのですが、たとえばまず3つの六員環の中央に臭素が結合した化合物を、有機化学合成により作ります。 そして、その化合物を真空室で蒸発させて、金の基板に付加します。 それを200度近くまで加熱すると臭素が取れて、取れた臭素の部分がつながって、ポリマー化します。 このとき、六員環を構成する他の炭素には水素が結合しているため、臭素が外れたところどうしが互いに結合しているということになります。 さらに400度近くまで加熱すると、水素が外れて外れた部位同士が結合し、綺麗なナノリボンが完成します。 口で言うと簡単なのですが、臭素を付加した適当な前駆体を作ったり、第一原理計算と並行して作成プロセスを考えたりなど、実際には大変な作業ですね。 ——現在ナノリボンの研究は、どれくらい進んでいるのでしょうか。 これまでは、3つの六員環をもとにナノリボンを作ってきたのですが、現在はさらに幅の広いものを作ろうとしています。 ナノリボンの幅が変わればバンドギャップも変わるので、さまざまなデバイスを作ることができるんです。 ナノチューブよりもバンドギャップを制御しやすい点が、ナノリボンの重要な特徴です。 また、ナノリボンの終端原子を他の元素に変えるという研究も進めています。 ナノリボンのエッジに違う元素を接合することができれば、半導体のPN接合のようなものをナノリボンで実現できます。 いろいろな特性を持つナノリボンを作り、それらを接合することで、新しいデバイスを作る。 ナノリボンを面白さのひとつは、この「エッジの自由度」にあると思うんですよね。 ——最後に、これからの目標について教えてください。 ナノリボンの基礎研究に加えて、ナノカーボン材料を用いて、センサーや高周波デバイスなどの個別デバイスを開発することが、当面の目標です。 実際に私たちは、トランジスタのゲート部分をグラフェンに置き換え、グラフェンの仕事関数の変化を調べることで、特定のガスを高精度に測定できるセンサーとして機能するデバイスを開発しました。 また、理論的にも水素エッジとフッ素エッジを組み合わせたナノリボンから、特性の良いダイオードができることを予測しました。 海外の研究機関においても面白い結果が出てきており、研究は着実に前進しています。 半導体チップに個別デバイスを仕込んでいくという話になると、半導体会社の戦略の問題もあるため、なかなか簡単にはいきません。 これは、10年規模の計画になるでしょうね。 ただ、企業の研究者としては、材料を作って終わりということではなく、常にデバイス化を見据えた研究を進めていきたいと考えています。 佐藤信太郎主管研究員略歴 株式会社富士通研究所デバイス&マテリアル研究所主管研究員。 1990年筑波大学大学院理工学研究科修士課程修了。 ウシオ電機㈱を経て、2001年米国ミネソタ大学大学院博士課程機械工学研究科修了、博士(工学)。 同年富士通㈱入社。 2002年より㈱富士通研究所研究員、2007年主任研究員、2014年主管研究員となり現在に至る。 2006-2010年㈱半導体先端テクノロジーズ兼務。 2010-2014年最先端研究開発支援プログラム参加のため産業技術総合研究所に出向。 主な研究分野はナノカーボン・二次元材料の合成・評価とその電子デバイス応用。

次の

次世代半導体材料「グラフェンナノリボン」を精密合成、数年以内に実用化へ|ニュースイッチ by 日刊工業新聞社

グラフェン ナノリボン

名古屋大学トランスフォーマティブ生命分子研究所(ITbM)拠点長を務める伊丹健一郎教授 高校の化学の時間に、きれいな六角形をしたベンゼンに魅せられた——。 それ以来、ナノカーボン科学で世界的な業績を上げ続けている研究者が、名古屋大学トランスフォーマティブ生命分子研究所(ITbM)拠点長を務める伊丹健一郎教授だ。 「大学時代は遊びに忙しすぎて、あまり勉強しなかった」という伊丹教授だが、現在は世界の最先端を独走する。 2016年には世界の化学者が60年間誰も実現できなかった「カーボンナノベルト」の世界初の化学合成を達成。 19年には破格の物性が期待できる「グラフェンナノリボン」の完全精密合成に成功した。 ナノカーボンは次世代の新素材と期待されるが、異なる構造やサイズのものが混在するのが課題。 伊丹教授が単一構造の純品を作る製造法を確立したことの意味は大きい。 「美しいものには機能が宿る」を信念とし、シンプルで無駄がなく美しい形をした分子の合成にこだわり続けてきた。 拠点長を務めるITbMは、理学部、農学部、工学部とのコラボレーションも盛んだ。 その相乗効果は顕著で、アフリカで穀物に甚大な被害を与え、「魔女の雑草」と呼ばれる「ストライガ」を駆除する物質の開発や実用化を共に進めている。 伊丹教授が取り組む「ナノカーボン」とは何なのか?その可能性とは?新領域に挑戦し続ける伊丹教授に聞いた。 伊丹健一郎(いたみ・けんいちろう) 名古屋大学 トランスフォーマティブ生命分子研究所 拠点長・教授 博士(工学)1971年 米国ペンシルベニア州 ピッツバーグ市生まれ1994年 京都大学工学部 合成化学科卒業1998年 京都大学大学院 工学研究科 合成・生物化学専攻 博士後期課程修了1998年 京都大学大学院 工学研究科 合成・生物化学専攻 助手2005年 名古屋大学物質科学国際研究センター 助教授2007年 名古屋大学物質科学国際研究センター 准教授2008年 名古屋大学大学院 理学研究科 教授(現任)2012年 名古屋大学 トランスフォーマティブ生命分子研究所 拠点長・教授(現任)2013年 JST-ERATO伊丹分子ナノカーボンプロジェクト 研究総括(2020年3月まで)2019年 Joint Appointment Research Fellow, 中央研究院化学研究所, 台湾(現任).

次の

ナノグラフェン

グラフェン ナノリボン

グラフェンって? 初めて聞く言葉だけど、どういう意味なの? 炭素(=カーボン)原子が網目のように六角形に結びついてシート状になっているものをグラフェン(graphene)といいます。 例えば、鉛筆の芯の黒鉛は、グラフェンシート1枚1枚のシートが重なり合っています。 graphene (グラフェン)という名前は graphite (グラファイト)の語尾を多くの芳香族炭化水素(ほうこうぞくたんかすいそ)の名前に使われている語尾ene に変えたものです。 「芳香族炭化水素」とは、分子中に6個の炭素原子からなる正六角形の構造(ベンゼン環)をもつ炭化水素をいいます。 グラフェンも芳香族炭化水素の仲間です。 発明者にノーベル物理学賞 2010 年度のノーベル物理学賞は、2004 年に黒鉛のかたまりから単層のグラフェンシートを初めて分離し、その特異な性質の解明に努めた英国・マンチェスター大学の研究者アンドレ・ガイム(Andre Geim)氏とコンスタンチン・ノボセロフ(Konstantin Novoselov)氏に贈られました。 彼らは粘着テープで黒鉛の薄片をはさみ、そのテープを引きはがすという簡単な操作を繰り返すことにより、単層のグラフェンを得ました。 グラフェンのすごいところは? グラフェンの厚さは1ナノ(ナノは10億分の1)メートル程度と極めて薄く、軽くてしなやか、そして透明です。 ダイヤモンド並みの強度を持ちながら柔軟に折り曲げることができ、電気の伝導率は銀より高く、熱の伝導率は銅の10倍くらいです。 化学耐性や耐熱性の高さからシリコンや貴金属の代替品として注目されています。 同じカーボンからできている「カーボンナノチューブ」と特徴がよく似ています。 そのため、製品のどこに使うかによって、使いやすい状態のもの(チューブ or シート)を選びます。 例えばグラフェンは、薄いシート状を活かしたトランジスタ(チャネル材料)やセンサーなどへの応用に適しています。 その小さい分子を絡め捕るには、さらに小さい網状でできたグラフェンが有効です。 ガスセンサーのどこにグラフェンを使うの? グラフェンをシリコントランジスタのゲートとして使います(グラフェンゲートトランジスタ)。 グラフェンゲートに二酸化窒素が付着すればするほど、トランジスタ内を流れる電流が小さくなります。 そのため、電流値を見れば、どのくらいの二酸化窒素が空気中に浮遊しているのかがわかります! そもそも二酸化窒素を測定すると、どんなことに役立つの? 窒素酸化物は、燃料を高温で燃やすことで、燃料や空気の中の窒素と酸素が結びついて発生します。 発生源は、工場や自動車、家庭などです。 高濃度の二酸化窒素は、喉、気管、肺などの呼吸器に悪影響を与えます。 そのため常に正確に測定し、二酸化窒素が多い日はマスクをつけるなど注意を促すことができます。 トランジスタのサイズを小さくすることで、高速、低消費電力を実現してきました。 しかし、小さくすることには限界があるので、材料をシリコンから、グラフェンに置き換えることによって、更に高速、低消費電力のトランジスタを開発しています。 シリコントランジスタとの構造の違い ラフェントランジスタの良いところ シリコンと比べて、グラフェンの電子移動度は約100倍です。 グラフェントランジスタの開発が進むと、従来のシリコントランジスタが1ボルトで動作するところを、0. 1ボルトで動作することができるようになります。 つまり、消費電力がシリコンの10分の1~100分の1になります。 グラフェントランジスタを実現するのに必要な「ナノリボン」 グラフェンはそのままだと導体材料です。 トランジスタの材料とするためには、これを半導体材料に変えなくてはなりません。 そのためには、グラフェンを細くする必要があります。 その細くしたグラフェンを「ナノリボン」と呼んでいます。 ナノリボンは、一般的なグラフェンシートの作り方とは異なり、1nm(ナノメートル)の幅で細く長く成長させます。 小話 「PM2. 5」の他に、「SPM」っていう分類があるのを知っていますか? 「PM2. 5」と「SPM」の分類についてはあまり知られていないかもしれませんが、「PM」が浮遊粒子状物質であることは(ニュースなどで説明されているので)結構知られていると思います。 PMは、Particulate Matterの頭文字の略で、大気中に浮遊している液体または固体の粒子をいいます。 浮遊粒子は体内に吸い込まれると肺の病気などになりやすくなるため、ニュースでPMの濃度が伝えられています。 「PM2. 5」と「SPM」は、浮遊する粒子の直径サイズの違いで分類されています。 直径が2. 5マイクロメートル以下の場合、「PM2. 5」になります。 直径が10マイクロメートル以下の場合、「SPM」になります。 「PM2. 5」の濃度が高くなる原因の一つとして、大気中の二酸化窒素ガスの増加があります。 自動車の排気ガスなどに含まれる粒子状物質です。 「SPM」の濃度が高くなる原因としては、花粉があります。 花粉が飛び始めるとSPMの濃度が高くなります。

次の