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2次元物質の稠密配列単層膜を1分間で形成する技術を開発 ~ナノシートを用いた各種デバイスの工業的製造に道~

 国立研究開発法人 物質・材料研究機構(NIMS)は2017年7月1日,NIMS国際ナノアーキテクトニクス研究拠点(MANA)の佐々木高義拠点長らの研究グループが,酸化物ナノシートやグラフェンなどの2次元物質を,1分程度の短時間で基板上に隙間なく単層で配列する新技術を開発したと発表した.本研究の一部は,文部科学省科学研究費補助金基盤研究(A)「2次元無機ナノシートのヘテロ累積 による新奇機能開拓」の支援を受け,成果は米国科学雑誌Science Advancesのオンライン版で公開された(注).

 炭素原子が層状に網目構造を形成したグラフェンはじめ,窒化ホウ素(BN),酸化チタン(TiO2)などの単分子層からなる2次元物質は,高いキャリア移動度,触媒活性,高誘電率などの優れた性質を発現するため,エレクトロニクス,環境,エネルギーなど広範な分野に技術革新をもたらすと期待されている.これら2次元物質の多くは横寸法が1µm程度以下のナノシートが溶液中に分散したコロイドとして得られるため,デバイスを作製するには,これらを様々な基材の表面にタイルを敷き詰めるように,隙間や重なりを生じさせることなく,秩序正しく配列させることが必要となる.これには,水槽表面でコロイド粒子を集合させて作った2次元物質のシートを基板で掬い取るラングミュア・ブロジェット(LB)法が用いられてきたが,熟練した操作,複雑な条件設定が必要で,通常は,製膜に1時間程度を要していた.

 これに対し本研究では,酸化物ナノシートやグラフェンの有機溶媒ゾルを基板上に少量滴下し,適切な回転数でスピンコートするという手順により,約1分間でナノシートを稠密配列させることに成功した.対象とした2次元物質はTiO2ナノシート,酸化ニオブ(NbO2)ナノシート,酸化グラフェン(GO)などで,これらの物質の多くは,厚さが分子レベル(~1nm)で横方向が数百nm以上のナノシートが水溶液中に分散したコロイド溶液(ゾル)として得られる.この水系ゾルを遠心分離してナノシートを沈降させ,上澄みを有機溶媒DMSO(Dimethylsulfoxide)と入れ替え,溶液の粘度をスピンコートに適するよう調整した.このナノシート溶液を直径30mmの円形シリコン基板上に数十µℓ滴下し,1000~5000rpmの速度で回転させたところ,1分間前後で完全に乾燥した.走査電子顕微鏡(SEM)で観察すると,基板表面は2次元物質で均一に被覆され,隙間をほとんど作ることなく,ナノシートが堆積していることを確認できた.原子間力顕微鏡(AFM)による観察からも,ナノシートがタイルように単層で基板上に堆積していることが分かった.基板を回転させることによる遠心力とナノシート同士,ナノシートと基板表面の間に働く力のバランスにより,ナノシート間の重なり,隙間の発生が抑えられ,原子レベルで平滑な単層膜が形成される.基板のナノシート被覆領域は95%以上に及び,表面粗さは0.5nm程度と非常に小さな値であった.さらに,TiO2ナノシートやGOのDMSOゾルを用いて,スピンコートを10回繰り返し,規則正しく多層累積することも確認できた.

 本技術は様々な組成,構造の2次元物質に適用でき,様々な形状,サイズ,材質の基材上に製膜できる.研究グループは,本技術がナノシートを用いた実用デバイスの工業的製造に道を拓くものと期待している.

(注)Kazuaki Matsuba, Chengxiang Wang, Kazuko Saruwatari, Yusuke Uesusuki, Kosho Akatsuka, Minoru Osada, Yasuo Ebina, Renzhi Ma, and Takayoshi Sasaki, "Neat Monolayer Tiling of Molecularly Thin Two-dimensional Materials in One Minute", Science Advances, 30 Jun 2017: Vol. 3, no. 6, e1700414, DOI: 10.1126/sciadv.1700414