大面積の六方晶窒化ホウ素を合成し、グラフェンを保護―次世代二次元材料のデバイス特性を大幅に向上：九州大学/大阪大学/産業技術総合研究所ほか
(2023年2月7日発表)
九州大学と大阪大学、(国)産業技術総合研究所の共同研究グループは2月7日、六方晶窒化ホウ素でできた絶縁性の二次元材料を大面積に合成し、炭素原子でできた二次元材料のグラフェンを、この六方晶窒化ホウ素層で上下から保護することにより、グラフェンの持つ優れたデバイス特性を大きく向上させることに成功したと発表した。
グラフェンをはじめ、原子シートを基盤とする次世代半導体や各種新デバイスの研究開発の加速が期待されるという。
グラフェンは炭素原子が蜂の巣状に六角形に結び付いた、厚さ１nm(ナノメートル、1nmは100万分の1mm)程度の極めて薄い二次元物質。電気伝導性や熱伝導性、電子移動度が極めて大きいなど、これまでの物質には見られない優れた特性を備えている。
シリコン半導体に代わる次世代の材料になると期待され、基礎研究から応用開発に至る各種の研究開発が世界各国で精力的に推進されているが、これまでは、設置する基板の凹凸や電荷、表面に吸着した酸素や水などの影響を受けて本来の優れた特性を発揮させることが難しかった。
この解決策として注目されてきたのが六方晶窒化ホウ素によるグラフェンの保護。六方晶窒化ホウ素はグラフェンと同じ六方格子からなり、原子的にフラットな構造を持つ。六方晶窒化ホウ素を多層化し、これでグラフェンを保護するとグラフェン本来の特性を引き出せることはこれまでの研究で分かっていた。しかし、実際に多層の六方晶窒化ホウ素を大面積に均一に合成する技術は確立されていなかった。
研究グループは今回、ボラジンという原料を高温下で反応させる化学気相成長法を用いて、多層の六方晶窒化ホウ素の大面積化に成功した。さらに電気化学法を用い、グラフェンを六方晶窒化ホウ素多層で挟み込んだ大面積の構造を作り出した。
評価実験の結果、グラフェンの上下を六方晶窒化ホウ素多層でサンドイッチすると、移動度の向上効果が顕著に現れることが見出されたという。
今後はグラフェンからなるデバイスの特性向上を目指すとともに、グラフェン同様にポストシリコン材料として期待されている二次元材料の遷移金属ダイカルコゲナイドで今回と同様の成果を得たいとしている。
