新たな高圧合成経路によるホウ素同位体濃縮窒化ホウ素単結晶の合成と特性評価

• 研究課題/領域番号: 18K19136
• 研究種目: 挑戦的研究(萌芽)
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 中区分36:無機材料化学、エネルギー関連化学およびその関連分野
• 研究機関: 国立研究開発法人物質・材料研究機構
• 研究代表者: 谷口 尚 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 機能性材料研究拠点, フェロー (80354413)
• 研究期間 (年度): 2018-06-29 – 2021-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2020年度)
• 配分額: 6,240千円 (直接経費: 4,800千円、間接経費: 1,440千円); 2019年度: 3,510千円 (直接経費: 2,700千円、間接経費: 810千円); 2018年度: 2,730千円 (直接経費: 2,100千円、間接経費: 630千円)
• キーワード: 窒化ホウ素 / 高圧合成 / 同位体濃縮 / 複分解反応 / 六方晶窒化ホウ素 / 立方晶窒化ホウ素 / 高圧下複分解反応 / 窒化ホウ素単結晶 / 超高圧合成

研究成果の概要

窒化ホウ素(BN)結晶は低密度の六方晶（hBN）と高密度の立方晶（cBN）が工業的に活用されているが、ホウ素同位体濃縮効果の研究は未踏であり、良質結晶による物性評価が新機能制御の上で課題である。既存の合成法によらず、ホウ化物と窒化物による複分解反応により、3-5万気圧領域で100μmオーダーの10B,11Bを濃縮したcBN及びhBN結晶合成に成功した。結晶のラマンシフトは有効質量との直線関係を呈した同位体濃縮効果を明示しており、10B及び11B濃縮したcBN結晶で、室温で2倍程度の熱伝導率の向上が見られた。

研究成果の学術的意義や社会的意義

窒化ホウ素（BN）結晶において低密度の六方晶 (hBN)と高密度の立方晶 (cBN)結晶のホウ素同位体濃縮とその効果を明らかにすることを目的とした。優れた耐熱材、或いは超硬質材料であるhBN及びcBN結晶はワイドギャップ半導体としても優れた特性が期待されているが、そのホウ素同位体濃縮効果が興味深い。炭素の同位体効果が多角的に研究されているのに対して、窒化ホウ素(BN)結晶中のホウ素及び窒素同位体濃縮効果の研究は未踏であった。本研究はBN結晶の新たな高圧合成経路を開拓し、ホウ素同位体(10B及び11B)組成を任意に制御したhBNとcBN高品位単結晶を合成し、その基礎物性を明らかにした。

研究成果

• [国際共同研究] MIT/University of Texas(米国)
• [国際共同研究] 北京大学(中国)
• [国際共同研究] MIT/テキサス大/ヒューストン大(米国)
• [国際共同研究] テキサス大.学/MIT(米国)
• [雑誌論文] Materials science research of boron nitride obtained at high pressure and high temperature (2020)
  • 著者名/発表者名: T.Taniguchi
  • 雑誌名: J. Ceramic Soc. Japan 巻: 128 号: 9 ページ: 620-626
  • DOI: 10.2109/jcersj2.20116
  • NAID: 130007895358
  • 査読あり
• [雑誌論文] Ultrahigh thermal conductivity in isotope-enriched cubic boron nitride (2020)
  • 著者名/発表者名: K.Chen, B.Song, N. K. Ravichandran, Q. Zheng, X.Chen, H. Lee, H. Sun, S. Li, G. A.G. U. Gamage F.Tian, Z.Ding, Q.Song, A.Rai, H.Wu, P.Koirala, A. J. Schmidt, K. Watanabe, B. Lv, Z. Ren, L. Shi, D. G. Cahill,T.Taniguchi, D. Broido, G.Chen
  • 雑誌名: Science 巻: 367 号: 6477 ページ: 555-559
  • DOI: 10.1126/science.aaz6149
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] High thermal conductivity of high-quality monolayer boron nitride and its thermal expansion (2019)
  • 著者名/発表者名: Q. Cai, D. Scullion, A. Falin, K.Watanabe, T.Taniguchi, Y.Chen,E.J.G.Santos, L.H.Li
  • 雑誌名: Science Advance 巻: - 号: 6
  • DOI: 10.1126/sciadv.aav0129
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] Single Crystalline Hexagonal Boron Nitride for Far UV Emission and Substrate for 2D Opto-Electric Devices (2019)
  • 著者名/発表者名: 谷口 尚
  • 学会等名: TWHM2019,Topical Workshop on Heterostructure Microelectronics 2019
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Synthesis of boron nitride and other 2D materials with solution growth and their impurity control (2019)
  • 著者名/発表者名: 谷口 尚
  • 学会等名: RPGR2019 (Recent Progress of Graphene and 2D materials 2019)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] h-BN: van der Waals 積層ヘテロ構造における絶縁材料 (2018)
  • 著者名/発表者名: 谷口 尚
  • 学会等名: 第79回応用物理学会秋季学術講演会
  • 招待講演
• [学会発表] Hexagonal boron nitride single crystals / Growth of BN (2018)
  • 著者名/発表者名: T.Taniguchi
  • 学会等名: The international workshop on nitride semiconductors (IWN 2018),
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] High pressure synthesis of Boron Nitride crystals and impurity controls for their functionalizations (2018)
  • 著者名/発表者名: T.Taniguchi
  • 学会等名: the third International Conference of 2D Crystals (ICP2C3),
  • 国際学会 / 招待講演
• [産業財産権] 立方晶系または六方晶系窒化ホウ素を製造する方法 (2018)
  • 発明者名: 谷口 尚、 渡邊賢司
  • 権利者名: 国立研究開発法人 物質・材料研究機構
  • 産業財産権種類: 特許
  • 出願年月日: 2018