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Si版グラフェン「シリセン」が凸凹な表面上で成長することを発見

Si版グラフェン「シリセン」が凸凹な表面上で成長することを発見

ポイント

  • シリセンはグラフェンのケイ素版と言える原子層物質で、これまで実験的な合成報告は、原子レベルで平坦な単結晶表面上に限られていた。
  • 今回の成果により、シリセンは凸凹な表面上でも起伏を乗り越えて横方向に成長し、シートを形成することが明らかとなった。

 北陸先端科学技術大学院大学(JAIST)(学長・浅野 哲夫、石川県能美市)先端科学技術研究科応用物理学領域アントワーヌ・フロランス助教高村 由起子准教授らは、原子レベルで平坦な表面上にしか成長しない、と考えられていた二次元材料「シリセン」を凸凹な表面上にも成長させることに成功しました。
 シリセンは、原子一層分の厚みしかない、究極に薄いケイ素(Si)の二次元的な結晶です。1994年に日本人研究者によってシリセンの安定な構造を理論的に研究した成果が発表されています。その後、炭素(C)の二次元結晶「グラフェン」に関する研究成果が2010年度のノーベル物理学賞を受賞するなど大きな注目を集め、そのSi版であるシリセンの研究が世界的に行われるようになりました。最近になって、幾つかの単結晶の非常に平坦な表面を基板として実験的な合成に成功したとの報告がありました。
 JAISTの研究チームは、2012年にSiウェハー上のエピタキシャル二ホウ化ジルコニウム薄膜上にシリセンが自発的に形成されることを発見しました。(※2012年リリース)今回、その二ホウ化物薄膜の表面を加速したイオンにより凸凹にした上で、同じプロセスでシリセンが成長するか走査トンネル顕微鏡観察により確かめたところ、凹凸を乗り越えてシリセンが成長し、シートを形成していることが分かりました。
 この成果により、二ホウ化物表面上に形成されるシリセンが単なる単結晶表面に吸着したSi原子による再構成構造ではなく、Siベースの次世代デバイス材料となり得る、真の二次元材料である、ということが明らかになりました。
 本成果は、米国物理学協会の発行する速報誌「Applied Physics Letters」誌に1月23日に掲載されました。
 なお、本研究は、平成26〜27年度科学研究費補助金若手研究(B)「エピタキシャルシリセンの形成機構解明」(研究代表者:フロランス アントワーヌ)の支援を受けて行われました。

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<今後の展開>
 今回の成果は、シリセンが単に原子レベルで平坦な基板上に吸着したケイ素原子による再構成構造ではなく、凹凸を乗り越えてシートを形成する真の二次元材料であることを証明しており、大面積かつ究極に薄いケイ素系超薄膜材料として応用研究への展開が期待できる。

<論文>
 "Insights into the spontaneous formation of silicene sheet on diboride thin films"
 (二ホウ化物薄膜上へのシリセンの自発的形成機構に関する洞察)
 DOI: http://dx.doi.org/10.1063/1.4974467  
 Antoine Fleurence and Yukiko Yamada-Takamura
 Applied Physics Letters 110, 041601 (2017).

平成29年2月1日

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