スタンフォード大学、複雑な半導体を自己組織化で製造する革新的手法を開発

極薄の材料フィルムを積層すると、画期的な特性を持つ新材料が生まれます。しかし、従来の積層プロセスは手間がかかり、不完全で、大量生産には不向きでした。

水中で自己組織化するペロブスカイト結晶

スタンフォード大学のヘママラ・カルナダサ教授率いるチームは、はるかにシンプルで高速な手法を開発しました。最も注目される材料の一つであるペロブスカイトの2次元層を、他の材料の薄層と交互に、自己組織化する大きな結晶内で成長させることに成功したのです。

この組み立てはバイアル内で行われます。層の化学成分が水中で撹拌され、バーベル型の分子がそのプロセスを誘導します。バーベルの両端にはそれぞれ異なる層を成長させるテンプレートが担われています。層が結晶化する過程（ロックキャンディー作りに似たプロセス）で、バーベルが自動的にそれらを正しい順序で連結します。

意図的な複雑半導体設計の基盤を確立

研究者たちによると、この手法はこれまで結晶内で組み合わせられてこなかった材料の組み合わせを含め、多種多様な複雑な半導体をより意図的に製造する基盤を築くものだとしています。

「材料を一層ずつ操作する代わりに、イオンを水の入ったポットに投入し、イオンが自ら組み立つのを待つだけです」とカルナダサ教授。「グラム単位で製造でき、結晶内の原子位置が正確にわかります。この精度により、層間インターフェースの実際の構造を把握でき、材料の電子構造、すなわち電子の振る舞いを決定する上で重要です」

ハライドペロブスカイトの課題と可能性

ハライドペロブスカイト（天然ペロブスカイト鉱物と同じ八面体構造を持つ材料）は1900年代から水中で組み立てられてきました。太陽電池での効率的な光吸収と発電に大きな可能性を秘めていますが、高温・強光環境下で著しく不安定という課題があります。

ペロブスカイトを他の材料と積層すれば、特定用途での性能向上が期待できます。さらに魅力的なのは、層が接するインターフェースで全く新しい予期せぬ特性が生まれる可能性です。例えば、異なる2種類の絶縁体薄膜を積層すると電気伝導体になることがすでに発見されています。

従来手法の限界と本手法の優位性

どの材料組み合わせが有用か予測するのは困難です。また、薄層材料の製造は遅く骨の折れるプロセスでした。グラファイトからグラフェンを剥離するように、原子1-2層厚のフィルムを大きな塊から一層ずつ剥がす方法や、微小バッチで高温製造する方法が主流でした。

「従来法はスケーラブルではなく、バッチごとの再現性も低い」とカルナダサ教授。「原子1-2層の剥離は専門作業で、誰でも簡単にできるものではありません。これらのシートは非常に柔軟なトランプのデッキのようなもので、一枚取り出すと皺になったり屈曲したりします。最終的な積層の正確な構造を知るのは困難です。今回我々が作成したような材料の先例はほとんどありません」

ロックキャンディーと同じ原理での結晶成長

これらの原子層が、既知の特性を持つ3Dブロック材料と同じ構造を持ち、2つの異なる層がインターフェースを共有するためにわずかに歪むことが発見されました。

「層状構造の作成はロックキャンディー作りと全く同じプロセスです」とマイケル・オブレイ研究者。「飽和糖溶液に木の棒を浸すとキャンディー結晶が棒に析出しますが、今回は原料が異なり、棒も不要です。結晶は水中やガラス瓶の表面で自発的に形成されます」

チームはペロブスカイトを金属ハライドや金属硫化物と交互に挟んだ6種類の自己組織化材料を作製し、先進光源でX線解析を行いました。