2023 Fiscal Year Annual Research Report
カーボンナノチューブの成長素過程定式化による構造制御の戦略変革
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22H01411
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
大塚 慶吾 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 助教 (20823636)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2026-03-31
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| Keywords | 単層カーボンナノチューブ / 成長速度論 / その場観察 / 電界効果トランジスタ / 解離吸着 / イメージ分光 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、電子物性や幾何構造の観点から次世代の半導体材料として期待されるカーボンナノチューブの合成制御に関して新たな戦略を提示することを目指している。特にナノチューブを構成する炭素原子の経路に着目すると、前駆体分子の熱分解、触媒微粒子への吸着と解離、触媒からの脱離、そしてナノチューブとしての析出に分けられ、これまでは個別に研究がなされてきた。それらの結果としてナノチューブの核生成、定常成長、成長停止などの現象が起こる。本研究では、こうした様々な過程を有機的に結びつける数理モデル群の構築を目指しており、それに基づいた定量的で緻密な合成制御を目指している。本年度は、選択成長への寄与が報告されている種々のガス分子種の供給下において、炭素原子の触媒微粒子への吸着と脱離過程に着目し、それがナノチューブの電子構造にどのように依存するかを実験的に調査した。また、熱力学・カイネティクスの観点から触媒微粒子からのナノチューブ析出過程に対する理論モデルとシミュレーション系を構築した。こうしたモデルに基づくことで、半導体応用に向けたナノチューブの構造制御において真に着目すべき反応過程が浮き彫りになってくる。並行して、顕微分光測定下でナノチューブを成長させるための合成系を新たに構築するとともに、これと同期化された自動測定を可能とするラマンイメージング分光系を設計・構築することで、成長のその場観察が可能な環境を整えた。
その一方で、合成されたナノチューブを起点としたファンデルワールスヘテロ構造の形成やデバイス作製を行い、界面トラップ密度の低下を確認するなど、カーボンナノチューブの応用を見据えて俯瞰的な議論を行った。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
第一に、本研究課題において重要な役割を担う、カーボンナノチューブ成長のその場観察装置の作製が大きく進展し、ソフトウェア・ハードウェアの両面で準備が整いつつある。まずは顕微分光やイメージング環境下において、多様なガスの供給制御を行いながら試料を加熱することで、ナノチューブなどの炭素材料を合成するシステムを構築した。これは材料の合成に留まらず、相補的な役割を担うエッチングなどのプロセスを観察することにも貢献するものである。
これらの成長等のプロセスをその場観察するためのクロスニコル式の偏向顕微鏡とラマンイメージング分光系を自作した。例えば自作のラマン分光装置は市販の装置と同等の測定速度であるが、さらに合成系との連携やオンデマンド測定にも対応できるよう全構成要素を統一的に制御するソフトウェアを構築した。したがって、合成制御の戦略変革に関する準備を計画通りに進めることができている。
２点目に、上述の新たな実験システムの構築に留まらず、従来式の“合成後の成長過程復元手法”を用いた研究が引き続き進展している。これまで半導体性ナノチューブの優先成長の鍵を握るとされていた様々なガス種、例えばメタノール、メタン、水蒸気などの機能を、成長速度の観点から調査し、自ら提案した速度論モデルに落とし込むことができている。加えて、より理論的な見地から、熱力学とカイネティクスに立脚したミクロな成長モデルとシミュレーションによって成長プロセスへの理解を深め、より大局的な視点から合成制御への道筋を立てることができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
現在までのところ、新たに構築した成長過程のその場観察システムにおいては、従来式の合成装置と同じレベルでの材料合成には至っていないことが課題の一つである。そのため、原料ガスの熱分解プロセスやその流れについて解析を行い、流量や加熱条件の最適化を進めていく。また、刻一刻と進んでいく成長を十分な時間分解能で捉えるには分光計測の感度を高めるとともに測定視野を広げていく必要があり、レンズやフィルターを含む光学素子の交換や全体の設計の見直しなども視野に入れている。
並行して、半導体性のカーボンナノチューブの優先成長に関して、先行研究では明らかにされていなかった選択性の起源に迫っていく。昨年度までの研究により、一般的な触媒系や炭素源において、金属性と半導体性のナノチューブにおいて顕著な成長速度の差異が生じないことが分かってきている。選択合成が報告されている系に対しても同様の実験を実施し、解離吸着プロセスに着目した成長速度の観点から議論を進め、選択性を明らかにすることで、さらに高精度な合成制御に向けた指針を提示することを目指す。
以上の内容を包含する形で理論的な観点から数理モデルの構築を行い、それに基づき特定のバンドギャップを有する半導体性のカーボンナノチューブの合成を徐々に実現していく。
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