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かご状シリコンナノ物質を合成、薄膜化

掲載日:2014年10月10日

炭素に続いて、シリコンのナノ物質が登場した。シリコン原子が丸くかご状に金属原子を取り囲む「金属内包シリコンナノクラスター」を合成して薄膜化するのに、慶應義塾大学理工学部の中嶋敦(なかじま あつし)教授と中谷真人(なかや まさと)博士研究員らが初めて成功した。新しいナノ機能材料の創製やエレクトロニクスへの応用の一歩となる重要な成果といえる。10月7日付の英王立化学会誌ナノスケールのオンライン版に発表した。

ナノクラスターは、数個から千個程度の原子・分子が集合した直径数ナノ(ナノは10億分の1)メートルほどのサイズの超微粒子。その物理・化学的性質を原子数や組成、荷電状態によって制御できることが特徴で、触媒や電子デバイス、磁気デバイスなどへの応用が期待されている。ナノ物質の製造や利用はこの20年間、フラーレンやナノチューブ、グラフェンなどの炭素の重合物質で先行し、基礎科学と産業面に大きなインパクトを与えてきた。しかし、シリコンなどの他の原子では、ナノクラスターの開発が立ち遅れていた。

特にエレクトロニクス分野では、半導体材料のシリコンのナノクラスターを積み木のように組み上げ、新しい機能を持つ超微細構造を生み出す技術が待望されている。ナノクラスターを薄膜にする技術は、その基盤技術といえる。しかし、ヘリウムやアルゴンの気体中で合成した気相合成ナノクラスターの構造や荷電状態は、固体表面上で変化しやすく、本来の構造や性質・機能を保持しつつ、薄膜などの固体材料にすることは極めて困難だった。

研究グループは、ナノクラスターの気相合成、サイズ選別、蒸着、物性評価を真空中で一貫して行える装置で実験した。金属材料の標的に高エネルギーの気体イオンを照射して原子をたたき出す技術などを使って、16個のシリコン(Si)原子が、中心にある1個のタンタル(Ta)原子を丸くかご状に包み込む高純度の金属内包シリコンクラスター(Ta@Si16ナノクラスター)を気相合成した。

さらに、炭素原子60個が球状に連なった炭素フラーレン(C60)をグラファイトの表面に敷き詰めた基板上に、このTa@Si16ナノクラスターを蒸着し、共有結合を介して固体表面に固定し、薄膜化することに成功した。このとき、ナノクラスターの構造と荷電状態が薄膜化の前と変わらずに保持されていることも、実験と理論の両面で実証した。

研究グループは「この成果は、金属内包シリコンナノクラスターを基本単位とした新しい機能材料や機能デバイス作製への基盤技術として応用が期待される。多くの気相合成ナノクラスターへ適用できる可能性があり、さまざまなナノクラスターの固体材料化技術の指針となる。物質表面での金属内包シリコンナノクラスターの配列化をさらに進め、『シリコンナノ物質の固体材料化』への展望を開きたい」としている。

理論的に提案されている気相中におけるTa@Si16ナノクラスターの構造モデル
図1. 理論的に提案されている気相中におけるTa@Si16ナノクラスターの構造モデル

図2. フラーレン(C60)修飾表面の基板に固定されたTa@Si16ナノクラスター。aは蒸着初期、bは蒸着させて作ったTa@Si16ナノクラスターの薄膜の走査型トンネル顕微鏡の写真。Cは薄膜化を示すドットの高さの分布。

図3. C60修飾表面に固定されたTa@Si16ナノクラスター。Ta@Si16ナノクラスターはC60との共有結合を介して複合体を形成することによって表面に固定されている。
(いずれも提供:慶應義塾大学、科学技術振興機構)
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