都立大ら,原子細線からなる大面積薄膜を実現

東京都立大学,産業技術総合研究所,名古屋大学,筑波大学らの研究グループは,3原子程度の究極的に細い構造を持つ遷移金属モノカルコゲナイド(TMC)の新たな合成技術を開発し,その大面積薄膜の合成と原子細線の束状構造などの形成,そしてそれらの光学応答・電気伝導特性の解明に初めて成功した(ニュースリリース)。

近年,次世代の機能性材料として,原子数個分の厚みを持つ薄膜(原子層)や細線(原子細線)が注目を集めている。原子厚の薄膜としては,炭素原子1個の厚みを持つグラフェンシートなど多彩な物質が作製されている。

一方,原子細線に関しても,カーボンナノチューブをはじめ,さまざまな金属化合物などが研究されてきた。一方で,多くの原子細線は結晶構造の乱れや不均一性が起こりやすく,構造が均一かつ高い結晶性を持つ物質の多量合成は,その基礎物性の解明や応用研究に向けた大きな課題となっていた。

高い結晶性を持つTMC原子細線からなる大面積薄膜を実現するために,研究グループはこれまで開発してきた原料(遷移金属とカルコゲン元素)を気相で基板上に供給する化学気相成長法と呼ばれる手法を利用した。この手法を用いて成長条件を探索し,センチメートルサイズの基板上に,TMC原子細線が数十~数百本集積してできたナノファイバーからなるネットワーク状の薄膜の合成に成功した。

さらに,基板表面の結晶構造を利用し,ナノファイバーが一方向に配向した薄膜が得られることも発見した。また,この手法では,個々のTMC原子細線とその集積体が高い結晶性を持つことに加え,細線が二次元的に配列した単層や二層のシートや,高さ方向にも細線が積み重なった三次元的な束状構造を形成することを見いだした。

さらに,このTMC原子細線の光散乱を測定し,一次元的な構造を反映した光学応答を示すことを確認した。さらに,このような細線が集合した束やそのネットワーク状の薄膜が,高い電気伝導度や低温での電気抵抗の減少など金属としての性質を示すことを実験的に明らかにし,第一原理電子状態計算による予測と一致することを確認した。

研究グループは,このような3原子程度の微細な細線や,その二次元シートや三次元束状の凝集構造を利用することで,一次元や二次元の領域に閉じ込められた電子の特殊な性質の理解や制御,微細な配線や透明で柔軟な電極,非常に小さな電力で動く電子デバイスやセンサー,高効率なエネルギー変換素子などへの応用が期待されるとしている。

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