東京大学

　東京大学は14日、同大学院理学系研究科の磯部寛之教授の研究グループが、窒素原子の量と位置を完全に制御した窒素ドープ型ナノチューブの化学合成に世界で初めて成功したと発表した。

　カーボンナノチューブやグラフェンなどのナノカーボンは、その発見以来、新材料としての期待が高い。炭素以外の異種元素をドープ（埋め込み）すると、物性が大きく変えられる。なかでも、窒素ドープ型ナノカーボンは半導体利用などの応用研究において注目されており、年間200報に迫る論文が発表されている。しかしこれまで、物理的方法で製造されていることから構造中の窒素原子の位置や数を制御することが不可能であり、新材料開発を阻むボトルネックとなってきた。

　同グループは今回、窒素原子が周期的に埋め込まれた窒素ドープ型ナノチューブの化学合成に成功。昨年独自に開発したベンゼンのカップリング反応を活用したナノチューブ分子化学合成法に対し、新たにピリジン（アミンの一種）を用いることにより、窒素原子を組成・位置・構造などを完全に制御した上で埋め込むことが可能となった。

　ナノチューブ分子の304個の構成主原子のうち、8個を窒素原子とし、窒素原子の含有率を精確に2.6％とすることができた。これまで材料科学分野で検討されてきた窒素ドープ型ナノカーボンの窒素含有率は2～5％の幅であるが、今回の窒素含有率はその幅内に収まっていることから、これまで検討されてきた窒素ドープ型ナノカーボンの電子的性質・化学的性質を正確に探るために適した組成である。

　また最先端X線構造解析法により、窒素上の孤立電子対（ローン・ペア）の存在を明確にした。さらに理論計算の結果、窒素にはナノチューブに電子を注入させやすくする効果があることが分かった。

　窒素ドープ型ナノチューブはp型半導体にもn型半導体にもなることが報告されていたが、今回、窒素が電子を受け取り易くすることで、n型半導体になりやすくさせることが明らかとなった。これらの新知見は、今後、窒素ドープ型ナノカーボン材料の開発を加速させることが期待される。

　東京大学大学院新領域創成科学研究科、同マテリアルイノベーション研究センター、産業技術総合研究所 産総研・東大先端オペランド計測技術オープンイノベーションラボラトリ、物質・材料研究機構 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点（WPI‐MANA）の共同研究グループはこのほど、洗濯のりにヒントを得て、高精細にパターニングされた電極を有機半導体に取り付ける手法を開発した。

　さまざまな機能性を持つ電子素子を駆動させるためには、電圧や電流を入出力するための電極が必要不可欠。電極は通常金属で、高真空下で大きなエネルギーを用いて成膜されることが多く、電極の設置面へのダメージを抑え、接着力など下地との相性を最適化することも重要な課題だった。

　こうした中、同研究グループは、洗濯のりの成分であるポリビニルアルコールが乾燥すると固まり、水にあうと簡単に溶けることを利用し、基板上で高精細にパターニングされた電極をポリビニルアルコールなどとともに電極フィルムとして引き剥がし、半導体上に移し取る手法を開発。

　さらに、たった一分子層（厚さ四㎚）からなる有機半導体に金属電極を取り付け、半導体の機能を十分利用できることを実証した。取り付け先の制約は極めて少なく、曲面や生体などへの応用も期待できる。

　今回の成果により、さまざまな積層デバイスへの応用が可能となり、将来の産業応用に際し低コスト・フレキシブルエレクトロニクス用のプロセスとしての利用が見込まれる。

　なお、今回の研究成果は、英国科学雑誌「Scientific Reports」（3月13日版）に掲載された。また、同研究は、日本学術振興会（JSPS）科学研究費補助金「単結晶有機半導体中電子伝導の巨大応力歪効果とフレキシブルメカノエレクトロニクス」「有機単結晶半導体を用いたスピントランジスタの実現」の一環として行われた。

 

　東京大学と産業技術総合研究所（産総研）、物質・材料研究機構の共同研究グループはこのほど、有機半導体単結晶の薄膜上で、チャネル長1㎛スケールの微細加工手法を新たに開発した。

　高移動度と短チャネル化を同時に達成したことで、同研究グループが持つこれまでの世界記録を2倍程度更新し、世界最速となる38M㎐の遮断周波数を達成した。また、この有機トランジスタには交流信号を直流信号に変換する整流性があり、100M㎐でもその整流性が失われないことを実証した。

　世界中で有機トランジスタの高速化が進められている中、同研究グループは超短波帯で動作する有機トランジスタの開発に世界で初めて成功した。

　有機半導体は有機溶媒に溶かしたインクから、印刷プロセスにより柔軟性のあるデバイスを作製できることから、次世代半導体材料として期待されている。同研究グループではこれまでに、厚さわずか数分子層（10㎚程度）からなる有機半導体単結晶超薄膜を、大面積で塗布可能な印刷手法を開発している。このような高品質の有機単結晶薄膜では、高い移動度が実現されており、有機トランジスタの高速化に極めて有望だ。

　半導体集積デバイスの応答周波数は、論理演算を担うトランジスタの移動度と、そのチャネル長に依存する。微細加工手法として、フォトレジストを用いたリソグラフィが広く使われているが、多くのフォトレジストは有機半導体薄膜にダメージを与えることが知られており、有機トランジスタでは、リソグラフィによる高移動度と短チャネル化を両立することは困難だった。

　今回、同研究グループは有機半導体単結晶の薄膜上に、フッ素系高分子膜を薄くコーティングすることで、有機半導体でのダメージフリーリソグラフィ手法を新たに開発し、1㎛スケールの微細加工を達成。超短波帯で動作する有機トランジスタの開発に世界で初めて成功した。

　物流管理などに広く用いられている、RFIDタグの通信周波数である13.56M㎐より十分に大きな値であることから、今回作製したデバイスは、無線タグの給電に十分応用可能なレベルに達していると言える。

　さらに、超短波帯はFMラジオ放送やアマチュア無線などの電波として利用されているが、将来、応答周波数がさらに増加することで、超短波帯を利用した長距離無線通信が可能な有機集積回路の実現が期待される。

　また、簡便な印刷プロセスで量産できることから、今後のIoT社会を担う物流管理に用いられる低コストの無線タグや、電磁波から電力を供給する無線給電システムへの幅広い展開が考えられる。

 

　産業技術総合研究所（産総研）はこのほど、ゴムのように柔軟で、金属に匹敵する高い熱伝導性を示すゴム複合材料を、東京大学と開発したと発表した。

　産総研のタフコンポジット材料プロセスチームと、東大大学院新領域創成科学研究科の寺嶋和夫教授らは、カーボンナノファイバー（CNF）・カーボンナノチューブ（CNT）の2種類の繊維状カーボンと、環動高分子のポリロタキサンを複合化させることで、金属並みの熱伝導性を実現した。

　今回開発したゴム複合材料は、フレキシブル電子デバイスの熱層間材や放熱シート、放熱板などへの応用が期待される。実験ではポリロタキサン中にフィラーとして、サイズの異なる2種類の繊維状カーボン（CNFとCNT）を分散させた。

　CNFは太さ200㎚で長さ10～100㎚、CNTは太さ10～30㎚で長さ0.5～2㎚。ゴム材料への繊維状カーボンの分散性の改善と、複合材料中の熱伝導ネットワークの形成が、高い熱伝導性のカギと考えられていることから、分散性改善のため、CNFとCNTを重量比9対1の割合で塩化ナトリウム水溶液に分散し、独自に開発した流通式水中プラズマ改質装置を通して表面改質を行った。

　次に、このCNF/CNT混合物を溶媒のトルエン中で、ポリロタキサン・触媒・架橋剤と混合した後、交流電界をかけながら架橋反応させてゲルを作製。得られたゲルをオーブンで加熱して溶媒を取り除き、フィルム状の複合材料を得た。

　この複合材料内部の電子顕微鏡像では、表面改質により繭状の凝集体がほぐれ、加えた電界の方向にCNFが配列していた。さらに、配列した大きなCNFに小さなCNTが巻き付き、CNF間をつなぐように分散していた。少量のCNTがCNF同士をつなぐことで、複合材料全体にわたる熱伝導のネットワークが形成され、高い熱伝導性が実現したと考えられている。

　今後はCNFの配向条件や改質条件を最適化して、熱伝導性と柔軟性の向上を図るとともに、フィラーの3次元構造の観察や解析を通して、複合材料の構造と特性との数理的関係の解明を進める。さらに、企業との共同研究により、部材とデバイスへの展開・実用化を図る。