電子デバイスの製造を革新する2D高分子材料を発見

半導体特性を示す2次元共役高分子材料が作成された。電荷キャリア移動度が高く、バンド構造をコントロールすることが可能。

カナダとイタリアの国際共同研究チームが、半導体特性を示す2次元共役高分子材料を作製することに成功した。電荷キャリア移動度が高く、バンド構造をコントロールすることが可能なので、ナノエレクトロニクス分野において、グラフェンを超える広汎な応用展開が期待される。研究成果が、2020年5月18日に『Nature Materials』誌に公開されている。

2004年のグラフェンの発見以来、電荷キャリア移動度が高く、バンドギャップの調節可能な高機能2D材料が、ナノエレクトロニクス分野において待望されてきた。その中で2次元π共役高分子は、多様な格子対称性を有することから理論的にバンド構造をコントロールできると予測されており、次世代高機能2D材料の有力な候補として注目されてきた。しかし、これまでの合成方法では、デバイス用として充分な大きさを達成できないことや、ボイド欠陥を多発することから、実用化は難しいとされてきた。

カナダのマギル大学、ケベック先端科学技術大学院大学（INRS）、レイクヘッド大学、そしてイタリア学術会議から構成される共同研究チームは、六角形の網目状に炭素や他の軽元素が結合した三角形分子アザトリアンギュレン前駆体を用い、高温合成反応を採用することにより、メゾスケールサイズの2次元π共役高分子のカゴメ格子の作製に成功した。高温合成反応によって分子の拡散が促進され、ボイド欠陥を排除することができた。電子的特性を評価した結果、半導体特性を示すとともに、グラフェンと同様のDirac cone状のバンド構造を有することが明らかになった。

レイクヘッド大学物理学科のMark Gallagher教授は、「グラフェンを超える高機能2D材料を実現することができた」とその成果を語り、国と大陸を越えた4研究機関の16人の研究者が持つ、各々の専門性－有機化学、物性物理、材料科学、表面科学－を活かした学際的な研究が、成功の大きな要因であったと付け加える。INRSエネルギー材料電気通信センターのFederico Rosei教授は、「これまで存在を理論的にしか予言できず、15年以上も夢見てきた、画期的な特性を有する新しい材料を実際に創成できた」と説明する。

2D高分子材料の実現は、実験的にも理論的にも新しい道を切り拓き、電子デバイスの製造を革新する可能性がある、と研究チームは語る。この新しいシステムが、トランジスタのようなデバイスに組み込まれれば、これまでにない優れたエレクトロニクス性能を得ることができる。マギル大学化学学科のDmytro Perepichka教授は、「グラフェンの発見以来、この共同研究を実施してきたが、構造的に再構成可能な2Dπ共役高分子は、ナノエレクトロニクス分野における2次元材料の活用に、新しい息吹を導入する」と期待する。

電子デバイスの製造を革新する2D高分子材料を発見