カーボンナノチューブの原子配列を制御して合成する手法を開発～革新的半導体デバイス創出に期待～

2024-09-03

2024-09-03 東北大学

材料科学高等研究所/大学院工学研究科電子工学専攻　准教授　加藤俊顕

【発表のポイント】

カーボンナノチューブ^（^注1^）の原子配列であるカイラリティ^（^注²^）を制御して合成可能な新触媒を発見しました。
カイラル指数^（^注²^）(6,5)のカーボンナノチューブを超高純度（≧95%）で合成することに成功しました。
30年以上未解決のカイラリティ制御合成に新たな道筋を示したことで、今後革新的半導体デバイス創出の可能性とその社会実装が期待されます。

【概要】

炭素原子の六員環が平面状につながったグラフェンシートが円筒状に丸まったカーボンナノチューブ（CNTs）は、優れた導電性や半導体特性、光学特性、高い機械的強度を有することから、次世代のエレクトロニクス分野における新素材として大きな注目を集めています。特に一層のグラフェンシートから構成される単層CNTsは、次世代半導体デバイス分野において期待されています。産業応用に向けてはカイラリティと呼ばれる炭素原子一つ一つの並びを制御できないことが大きな障壁であり、CNTsの発見から30年以上未解決の究極の課題とされてきました。

東北大学材料科学高等研究所（WPI-AIMR）/大学院工学研究科電子工学専攻の加藤俊顕准教授らのグループは、CNTsの新たな構造制御合成法の開発に成功しました。本研究では、これまで着目されてこなかった多種類の元素を混合した新たなCNTs成長用触媒開発に取り組み、ニッケル（Ni）、スズ（Sn）、鉄（Fe）を混ぜ合わせたNiSnFe触媒が極めて特殊なCNTs成長触媒として作用することを発見しました。このNiSnFe触媒を用いて合成条件を最適化することで、95%以上の超高純度で(6,5)カイラリティCNTsのみを選択的に合成することに成功しました。

本成果は2024年8月20日（現地時間）に米国科学雑誌ACS Nano（電子版）に掲載されました。

なお本成果は、同大学大学院理学研究科の是常隆教授、同大学材料科学高等研究所の井上和俊准教授、産業技術総合研究所の劉崢上級主任研究員、理化学研究所の加藤雄一郎主任研究員と寺嶋亘研究員、東京大学大学院工学系研究科の幾原雄一特別研究教授（東北大学材料科学高等研究所兼務）、東京大学・日本電子産学連携室の斎藤光浩副室長等のグループとの共同研究によるものです。

新たに発見した三元系触媒により実現した(6,5)CNTsの超高純度合成概念図

【用語解説】

注1. カーボンナノチューブ
直径0.4～数十ナノメートルの一次元構造を持つ炭素のみから構成されたナノ材料。炭素原子の六員環が平面状につながったグラフェンシートが円筒状に巻かれた構造を持ち、シートの層数により単層ナノチューブと多層ナノチューブに分類される（本研究は単層ナノチューブ）。優れた導電性や半導体特性、光学特性、及び機械特性を持つことから様々な分野への応用が期待されている次世代ナノ材料。

注2. カイラリティ、カイラル指数
ナノチューブを構成する際のグラフェンシートの螺旋度に相当する構造因子。グラフェンシートを構成する六員環の隣り合う二つの辺それぞれの法線の単位ベクトルをa₁、a₂、合成ベクトルC＝na₁＋ma₂（n、mは整数）と表記する。カイラリティは、カーボンナノチューブを軸方向に展開したグラフェンシート構造において、基準となる六員環が次に重なる位置のカイラル指数（n,m）で表現される幾何学構造。ナノチューブの電子状態はカイラリティによって決定する。

詳細（プレスリリース本文）