産総研など、多種多様な遷移金属カルコゲナイドの単原子膜の合成技術を開発

産業技術総合研究所(産総研)は、遷移金属カルコゲナイドと呼ばれる物質を、二次元材料である単原子膜として基板上に成長させる簡便な合成法を開発した。

この成果は、産総研ナノ材料研究部門の林君浩協力研究員(日本学術振興会 外国人特別研究員)とシンガポール南洋工科大学によるもので、英国の学術誌「Nature」に4月19日付けで掲載された。

グラフェンなどに代表される二次元材料は、金属・半導体から超伝導まで多様な電子特性が極薄の材料で実現できるため次世代のナノデバイスの構成部品として期待されているが、二次元材料の多くは単原子膜では不安定で電子部品基板上に直接成長させることができなかった。

今回、林協力研究員らが開発した合成技術は化学気相成長(CVD)法を用いるが、遷移金属源に塩(NaCl、KI)を添加して溶融させ、キャリアガスでカルコゲン源を供給することによって、これまで作製が困難であった多種多様な遷移金属カルコゲナイドの単原子膜をシリコン基板上に直接合成・成長させることができる。

今回、超伝導特性を示す二セレン化ニオブをはじめ、47種類の遷移金属カルコゲナイドの単原子膜が合成できた。その単原子膜を、低加速電子顕微鏡(走査型透過電子顕微鏡)で解析した結果、基板の任意の箇所に単原子膜が直接作製できたことが分かった。また、従来の手法で合成した二次元材料と比べ、結晶が均質で欠陥や不純物が非常に少なく、極めて品質が高いことが確認できた。その性質を調べたところ品質が良く、高い電子移動度や鋭い超伝導遷移が見られた。

また、今回初めて合成できた単原子膜には、今まで存在しなかった5種類の異なる元素からなる二次元材料や、二元系でも特に超伝導体やトポロジカル絶縁体、電荷密度波や非線形光学などこれまでの単原子膜では見られなかった物理的性質を示すものも含まれている。

• 今回合成された二元系(上)と五元系(下、3種類の遷移金属と2種類のカルコゲン)の単原子膜(出所:産総研Webサイト)

今回の成果は、低次元物質の物性に関する基礎科学から、将来のナノエレクトロニクスの電子デバイス材料としての実用可能性の研究まで、幅広い研究分野に貢献するものと考えられる。今後は、産総研の電子顕微鏡技術を活用して、遷移金属カルコゲナイド単原子膜の成長プロセスを実時間で直接観察し、単原子膜の成長にどのように塩が関わっているかを原子レベルで明らかにし、今後の二次元材料開発に新しい指針を見出す。

また、遷移金属カルコゲナイド単原子膜の薄膜・高効率太陽電池、平面FET、スーパーキャパシターとしての応用を見据えて、デバイス材料としての特性評価などに関する基礎研究を、シンガポール南洋工科大学と共同で進め、2020年頃を目途に産業界も交えて実用化に向けた研究を始めるということだ。