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東大、極度に湾曲した表面(ナノチューブ)上での結晶成長メカニズムの解明に成功

発表日:2021年09月14日

極度に湾曲した表面(ナノチューブ)上での結晶成長

~マトリョーシカ構造の原子的形成メカニズムを理解するための方法論~

1.発表者:

熊本 明仁(東京大学 大学院工学系研究科附属総合研究機構 共同研究員)

項 栄(東京大学 大学院工学系研究科機械工学専攻 准教授)

幾原 雄一(東京大学 大学院工学系研究科附属総合研究機構 教授)

丸山 茂夫(東京大学 大学院工学系研究科機械工学専攻 教授)

2.発表のポイント:

◆ 透過型電子顕微鏡法とナノチューブ合成法の知見を組み合わせることにより、1次元ナノ構造の結晶成長メカニズムを系統的に調べるための非破壊TEM法を独自に開発しました。

◆ 1次元ヘテロナノチューブの元素分布、結晶方位、切れ端の形状や結晶性を非破壊で調べ、極度に湾曲した表面である単層カーボンナノチューブ上では、特定の位置から窒化ホウ素原子層が触媒なしに成長することや、構造的に安定なチューブの巻き方が存在することが明らかになりました。

◆ 1次元ヘテロナノチューブの合成と非破壊TEM法の導入、および一連の解析とフィードバックについて示した本研究成果は、1次元ヘテロナノチューブの新奇なデバイスへの応用の実現性を高めるだけでなく、新材料の発見と評価に至る一連の研究の方法論を提唱するものであり、今後の新たなナノ材料開発のためのガイドラインとしての活用も期待されます。

3.発表概要:

東京大学の丸山茂夫教授、項栄准教授、熊本明仁共同研究員、幾原雄一教授らの研究グループは、高度な透過型電子顕微鏡法(TEM)(注1)と化学気相成長法(CVD)(注2)の知見を融合させた独自の構造解析手法を構築することで、高い曲率(1/r)を持ったナノスケールの基材から成長する1次元ヘテロナノチューブ(注3)の原子的な結晶成長メカニズムの解明に成功しました。1次元ヘテロナノチューブは、異なる物質からなる複数のナノチューブが同軸構造を形成し、研究者の間では「マトリョーシカ人形を彷彿とさせるナノ構造」として注目されている新しい材料です。昨年、同グループによって高品質な1次元ヘテロナノチューブの合成が世界で初めて実証されましたが、この構造体がわずか数ナノメートルという曲率半径(r)の基材の上で高品質に結晶成長できたことから、その詳細な成長メカニズムに高い関心が寄せられていました。今回、1次元ヘテロナノチューブが成長できたり、成長できなかったりする様々な条件を調査し、同時に、それらのサンプルを非破壊でTEM観察する新しい解析手法を構築しました。これにより、1次元ヘテロナノチューブにおける切れ端の構造、成長が始まる場所、ヘテロナノチューブ間での結晶方位関係という結晶成長メカニズムに関する基礎的知見を得ることができました。本研究は、一般的な3次元空間や2次元平面での結晶成長とは異なり、これまでにない1次元軸への結晶成長についてそのメカニズムが解明された成果です。この成果は、今後の研究において、より制御された1次元物質の合成指針を与えるだけでなく、光学、電磁気学、力学、電気化学等におけるさまざまな物性評価を始めるための基礎的知見として活用されることが期待されます。また、今回の一連の解析手法は、新材料の発見と評価に至る一連の研究の方法論を提唱するものであり、今後の新たなナノ材料開発のためのガイドラインとしての活用も期待されます。

本研究成果は、大阪大学、産業技術総合研究所、国立研究開発法人物質・材料研究機構、アールト大学、北京大学との共同研究であり、2021年9月14日付の米国学術誌PNAS電子版に掲載されます(2021年9月10日にprogress版公開)。

※以下は添付リリースを参照

リリース本文中の「関連資料」は、こちらのURLからご覧ください。

添付リリース

https://release.nikkei.co.jp/attach/617906/01_202109141512.pdf

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