2021 Fiscal Year Annual Research Report
Fabrication and Characterization of One-DImensional Transition Metal Chalcogeindies Inside Nano-Test-Tubes
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20H02572
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| Research Institution | Tokyo Metropolitan University |
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Principal Investigator |
中西 勇介 東京都立大学, 理学研究科, 助教 (50804324)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
末永 和知 大阪大学, 産業科学研究所, 教授 (00357253)
劉 崢 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 材料・化学領域, 上級主任研究員 (80333904)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | ナノチューブ / テンプレート合成 / 無機ナノチューブ / カイラリティー / 電子顕微鏡 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、カーボンナノチューブなどの一次元ナノ空間を用いた物質創製の研究を行い、バルクでは存在しえない一次元物質を生み出し、その特異な構造・物性解明を目指した研究を進めている。本年度は特に、窒化ホウ素（BN）ナノチューブを用いた研究を展開した。BNナノチューブはカーボンナノチューブと同じ円筒状のナノ物質である。熱的・化学的安定性が高く、結晶成長に適したテンプレートである同時に、不安定な一次元物質の保護膜としても機能する。そのうえ6 eVもの巨大なバンドギャップをもつ絶縁膜は、金属・半導体であるカーボンナノチューブと違って内包物の電子に影響しないため、原子細線の光学・電気特性の計測が可能になる。このように、BNナノチューブは「ナノ試験管」として優れた特徴をもつものの、化学的不活性な性質や構造不均一性などの理由から取り扱いが難しく、長年研究が進んでいなかった。BNナノチューブを用いた物質創製・評価の研究はいくつか報告があるものの、BNナノチューブは分散性が極めて低く、構造不均一であるため、単量子体の構造と物性の相関を正確に議論することは困難である。
このような背景のもと、本年度は主に、BNナノチューブの高効率分散と物質合成の研究に取り組んだ。界面活性剤を用いることにより、BNナノチューブを１本レベルで高度に分散できる手法を確立した。アニオン性の界面活性剤でよく分散するカーボンナノチューブとは異なり、界面活性剤のイオン性に依存することなく水に分散する。特に、Triton X-100の水溶液から作製したBNナノチューブの薄膜は、簡便な熱処理で清浄な表面が得られるため、テンプレートに適していることを見出した（論文執筆中）。さらに、このBNナノチューブ薄膜をテンプレートに用いた化学気相成長により、MoS2をはじめとするさまざまな無機ナノチューブの単層合成に成功している。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
BNナノチューブの内部空間や表面をテンプレートに用いることにより、さまざまな直径のナノチューブを合成し、これまで報告されていなかった多様な化学組成を実現した。MoSe2やWSe2、さらには混晶のナノチューブなどの当初予定していなかった新奇ナノチューブの合成・構造決定にも成功した。これらナノチューブの母体となる２次元シートは、組成の違いによってバンドギャップが変調することが知られており、ナノチューブでも同様の変化が期待できる。また、BNナノチューブ内部に形成した無機ナノチューブの直径は数nm程度でであり、バルクで合成される無機ナノチューブ（>数十nm）よりも格段に細く、顕著な量子効果の発現も期待される。高分解能電子顕微鏡観察によるカイラリティーの同定にも成功しており、今後、電子線分光や第一原理計算を組み合わせて構造と電子状態の相関を明らかにしていく予定である。
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| Strategy for Future Research Activity |
現時点での無機ナノチューブの収率・品質は低く、物性計測は困難である。そのため、次年度は無機ナノチューブの収率向上を第一に取り組み、吸収分光などの物性測定を進める予定である。具体的には、前駆体となる塩化物とカルコゲンの昇華条件の最適化することで収率を高め、中間体の高温熱処理によって結晶性の向上を図る。また、申請者が独自開発したグローブボックス接続型の化学気相成長装置を用いることにより、直接合成にも取り組む予定である。物性測定では、EELSによる局所電子線分光をはじめとし、孤立試料の光吸収やラマン分光、高効率分散した試料の電気・熱伝導計測も展開していく予定である。
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