無機ナノファイバーに金属原子を挿入する技術を開発 ?次世代のエレクトロニクス応用に期待?

2023年3月 3日 14:00 | プレスリリース?研究成果

【本学研究者情报】

〇大学院理学研究科物理学専攻
教授　斋藤理一郎

　東京都立大学理学研究科物理学専攻の夏井隆佑（大学院生）、清水宏（大学院生）、中西勇介助教、島村燿人（学部生）、遠藤尚彦（研究員）、宮田耕充准教授、産業技術総合研究所材料?化学領域極限機能材料研究部門の劉崢上級主任研究員、ナノ材料研究部門の林永昌主任研究員、東北大学学際科学フロンティア研究所兼務東北大学大学院理学研究科物理学専攻のNguyen Tuan Hung助教、東北大学大学院理学研究科物理学専攻の齋藤理一郎教授、名古屋大学工学研究科応用物理学専攻の菊地伊織（大学院生）、蒲江助教、竹延大志教授、筑波大学数理物理系の岡田晋教授、大阪大学産業科学研究所の末永和知教授らの研究チームは、直径数?数十ナノメートル程度の迁移金属モノカルコゲナイド(TMC)のナノファイバーの内部に金属原子を効率的に挿入する技术を开発しました。原子分解能电子顕微镜により、インジウム（In）原子が挿入された结晶构造を直接観察しました。このような金属原子の挿入技术の确立は、金属原子とTMCナノファイバーの多彩な组み合わせによる新材料?新机能の実现や超伝导特性の発现につながることが期待されます。今后、新たな叁元系TMCの実现や合成技术の高度化により、柔软な构造を有する超伝导ファイバーをはじめ、微细な配线?透明电极?导电性复合材料などの応用开発も期待されます。

【発表のポイント】

迁移金属モノカルコゲナイド(TMC)のナノファイバーの内部に金属原子を挿入する技术を开発。
原子分解能电子顕微镜で断面を直接観察することにより、挿入されたIn原子の位置を特定。
しなやかで安定な繊维状超伝导体の実现に向けた基盘技术として期待。

【概要】

　近年、次世代の机能性材料として、ナノメートル単位の直径をもつ细线状のナノ材料が注目を集めています。特に、代表的な细线状のナノ材料であるカーボンナノチューブ(CNT)は、强靭な力学特性や高い电気伝导度を示すことから、CNTによる微细な配线や电子デバイスなど、様々なエレクトロニクス応用に向けた研究が进展してきました。一方、CNTは异なる直径や原子配列をもつ构造の混合物として合成されるため、得られる试料は一般に不均一な构造のCNTの混合物となります。构造が均一な细线状のナノ材料の実现およびその结晶构造と物性の制御は、応用研究に向けた课题であり、また基础学术の面でも兴味深い研究対象となっています。

　均一な結晶構造をもつ細線状ナノ材料の候補として、迁移金属モノカルコゲナイド（TMC）^（注１）が知られています。また、多数のTMC细线が束になった结晶の隙间に、アルカリ金属などが挿入された构造として、叁元系TMCと呼ばれる物质が存在します（図１）。叁元系TMCは约40年前に発见され、挿入する原子の种类によっては超伝导を示すことも报告されていました。このナノファイバーは、高い电気伝导度を利用した微细な配线や导电性をもつ复合材料などへの応用も期待されています。従来の研究では、固体原料を高温で焼结して叁元系TMCの结晶が合成されていました。しかし、この手法では、基础?応用的にも兴味深い长尺なファイバーやそのネットワーク薄膜、そしてナノサイズの厚みをもつ极薄なファイバーなどの合成は困难です。そこで、新たな叁元系TMCナノファイバーの合成法の开発が望まれていました。

上记の叁元系TMCの研究とは别に、ごく最近になり、高い结晶性をもつ二元系のTMCナノファイバーの直接合成が可能になりました。本研究チームの中西助教と刘崢上级主任研究员らは、2019年にCNT内部に単一Mo₆Te₆细线の合成に成功しました。また、2020年には、本研究チームの中西助教と宫田准教授らは、化学気相成长法^（注２）を利用したW₆Te₆やMo₆Te₆などのTMC细线からなるナノファイバーの大面积合成法を开発しました（https://www.tmu.ac.jp/news/topics/30557.html）。二元系TMCが束状になった结晶では、个々の细线间に数オングストローム程度の空隙が存在します。この空隙に金属原子を挿入できれば、二元系TMCから叁元系TMCを作製できます。しかし、実际に金属原子が侵入できるかどうかは実証されていませんでした。今回、研究チームは、二元系TMCのナノファイバーを出発原料にして、金属原子の挿入による叁元系TMCナノファイバーの実现を试みました。