ツイスト2D材料活用でエレクトロニクスに革命を

ナノテクノロジーとは、数ナノメートル（nm）スケールでの物質操作を指します。文脈として、コピー用紙厚は約100,000nmです。このスケールで生じる独自現象を制御することで、科学者たちはより小さく、速く、省エネなデバイスを開発できます—スマートフォン、IoTセンサー、インターネットを支える巨大クラウドデータセンターまで、エレクトロニクス全スペクトラムで電力密度とエネルギー効率を向上させます。

IBMリサーチでは、政府パートナーの支援を得て、ナノスケールを探求し、スマートフォン・IoTセンサーからインターネットを支える巨大クラウドデータセンターまで、エレクトロニクス全域で電力密度とエネルギー効率を高めています。

図1：0°〜360°回転可能なナノサイズ鍵型デバイス、トンネルFET（TFET）の電流制御スイッチとして機能。

先駆的取り組みの一つは、IBMチューリッヒ研究所のElad Koren博士が主導。スイス国立科学財団アンビツィオーネプログラムの資金で、二次元（2D）材料の積層物理、特にグラフェンに焦点を当てて基礎物理を探究しています。

グラフェンの卓越した電子特性は、将来の半導体と量子デバイスの最有力候補です。同一グラフェン層を精密な相対角度で積層すると、周期的超格子が形成されバンドギャップが開きます—次世代トランジスタへの必須ステップであり、高性能と省エネを両立させます。

2016年9月、Koren氏らが査読誌Nature Nanotechnologyで初成果を発表。原子間力顕微鏡チップを用い、層の回転アライメントをサブ度制御し、図1の鍵型デバイスを生成しました。

このデバイスは360°全域回転可能で、TFET用の超精密スイッチとして機能。この能力はリーク電流最小化と電子回路全体のエネルギー消費削減に不可欠です。

「回転配置を0.1°未満の角度分解能で制御する前例のない精度を達成し、基礎研究と実用デバイス実現の両方を可能にしました」とKoren氏。

50mVバイアスでのツイストグラファイトナノ構造測定電流、レバーアーム連続回転時。インセット：21.8°と38.2°の共役ツイスト角での二層グラフェン結合の運動量空間表現。

積層角度の精密制御により、電子的、光学的、熱電的、電気機械的など幅広い物理特性を調整可能—科学技術全域で革新的材料への道を開きます。

単一結晶セルをツイストさせると、周期的ポテンシャルと強磁場の組み合わせでの電子振る舞いを記述するホフスタッターの蝶—理論的パターンを生じさせる高磁束が発生します。

ナノスケールでも摩擦は課題で、発熱、摩耗、エネルギー損失を生みます。しかし2D積層系の回転ミスマッチは摩擦を劇的に抑制し、超潤滑と呼ばれる現象を生みます。

「適切な角度を見つければ、層が滑らかに滑ります—事実上摩擦ゼロです」とKoren氏は説明します。

これらの発見を広範な研究コミュニティと共有することで、Koren氏はエレクトロニクスの未来を形作る新たな材料・デバイス概念を刺激することを期待しています。

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