グラフェンが電子デバイスに使われる日がやってきます

・研究者達は、静水圧を利用してグラフェンの電気伝導度を変化させる方法を発見しました。

・この研究により、グラフェンのバンドギャップの特性について深く知ることができました。

グラフェンは、六角形の格子に固定された炭素原子の薄い層から成り、いくつかの変わった特性を持っています。電気や熱を効率的に伝導し、光吸収能力があります。ほぼ透明で、これまでで最も強度の高い物質です。

グラフェンは、他の元素と組み合わせることで、優れた特性を持つさまざまな材料を作り出すことができます。2004年に発見されて以来、世界中の科学者たちが、グラフェンの特性や応用について研究を続けています。

このほど、コロンビア大学の研究チームは、圧力を用いてグラフェンの電気伝導度を操作する方法を考案しました。これにより、グラフェンは電気的な応用が可能な半導体に近づきました。

グラフェンは電気をよく通します。あまりにも効率がよすぎて、科学者たちは電流の流れを効果的に止める方法を見つけられませんでした。今回、科学者たちは初めて、二次元の材料を圧縮することによってグラフェンのバンドギャップを増大させることに成功しました。さらに、この技術を他の二次元材料に応用すれば、超伝導や磁性などの新しい上昇現象をもたらす可能性があります。

原子レベルのグラフェン

グラフェンは炭素原子が特殊な配列をしているため、電子が散乱することなく非常に速い速度で流れて、他の導電性物質では失われる多くのエネルギーが保存されます。これまで、グラフェンの性質を変えずに、この電子伝達を無効にした例はありません。

グラフェン構造の圧縮

この研究の主な目的は、バンドギャップ（伝導帯の底と価電子帯の頂の間のエネルギー差）を形成しながら、グラフェンのすべての好ましい性質を維持する方法を見つけることです。そのために、薄い絶縁体で化学的に安定な化合物である硝酸ホウ素（BN）層でグラフェンを挟み込みました。この2つの層は、回転対称に配置されています。

この設定により、グラフェンの電子構造が効果的に変化し、バンドギャップが形成されました。このバンドギャップのおかげで、グラフェンは半導体のように動くようになりました。しかし、このバンドギャップは、室温でのトランジスタ測定器に使用できるほど大きくはありません。

硝酸ホウ素-グラフェン層の圧縮 | 画像元: コロンビア大学

これを改善するために、硝酸ホウ素-グラフェン層を圧縮しました。この圧力によって、なぜかバンドギャップ・サイズが大幅に拡大し、グラフェンを通過する電子の流れが効率的に遮断されました。

さらに絞り込んで圧力をかけると、バンドギャップが拡大しました。それでも、トランジスタなどの電気機器に常温で使えるほど大きくはありません。具体的に言うと、圧力を上げることでバンドギャップが超線形に増大し、アクティブチャネルとの容量性ゲート結合が最大25%拡大します。

次の展開は?

この研究により、グラフェンのバンドギャップの特性（そもそもなぜバンドギャップが存在するのか、バンドギャップを変化させるには何が必要なのか）について、より深く知ることができました。また、この研究は、将来的にバンドギャップをどのように利用できるかもわかります。 グラフェンをトランジスタとして機能させる方法が見つかれば、さまざまな用途に応用できるはずです。

現在、科学者たちは、回転順を制御しながらさまざまな静水圧を加えることで、原子レベルの薄さの物質の積み重ねにどのような変化が起こるかを（自分の研究室で）テストすることができます。

著者によると、原子レベルの薄さの物質を積み重ねた組み合わせは、絞ることで特性が変化します（強くなる）。任意の2次元構造をとって圧縮し、最終的な効果の強さを設定することができるのです。