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ボロフェンに類似するホウ素二次元ナノシートの発見 ~常圧大気下で簡便に合成できるホウ素原子層物質~

 東京工業大学は2019年8月23日,同大学 科学技術創成研究院の神戸徹也助教,山元公寿教授らの研究グループが,ボロフェンに類似するホウ素二次元ナノシートを常圧大気下で簡便に合成することに成功した,と発表した.本研究は独立行政法人日本学術振興会(JSPS),国立研究開発法人科学技術振興機構(JST)ERATO,東京工業大学技術部すずかけ台分析部門,東京大学微細構造解析プラットフォーム,株式会社リガク,およびダイナミック・アライアンスの支援・協力を受けて行なわれた.原著論文は,米国化学会誌のJournal of the American Chemical Societyに掲載された(注).

 グラファイトからの剥離により炭素単原子層物質であるグラフェンが得られ,高い電気伝導度などの優れた物性が報告されて以来,2次元結晶への関心が特に強まった.グラフェンの炭素と同じⅣ族シリコン(Si)のシリセンに続き,III族元素ボロン(B:ホウ素)の2次元材料であるボロフェンは,高強度性に加え,高い柔軟性を備えていることでも注目された.しかしながらボロフェンは,高真空下の金属面上でしか安定に存在できないことが実用化に向けた課題となっていた.

 一方,本研究グループは,原子や分子が集合体を形成するクラスター化による金属クラスターの合成・物性研究を行い,III族元素であるアルミニウムクラスターの物性を明らかにしてきた.同じIII族元素であるボロンのクラスターは理論計算から二次元構造を取ることが示されたので,ボロフェンの合成に挑戦した.

 この結果,本研究グループは,水素化ホウ素カリウム(KBH4)を原料として,ボロフェンに類似する「ボロフェン類縁ホウ素二次元構造体」を,常圧大気下できわめて簡便かつ大量に合成することに成功した.有機溶媒アセトニトリルとクロロフォルムの1対1混合液にKBH4を加え,空気中で40℃に加熱し(1時間),その後数日かけて溶媒を蒸発させると,無色の二次元結晶が得られる.このホウ素二次元構造体からなる結晶をX線回折等の様々な分析手段で解析すると,ホウ素と酸素からなる単原子層と,カリウム(K)カチオンからなる層とが交互に積層した構造であることが分かった.

 この結晶は,各層の面に平行な方向と,面に垂直な方向で,異なる電気特性を示すという2次元結晶の典型的な性質を示した.またこの結晶では,層間の結合力が弱いため,物理的な圧力や,イオンなどの分子で取り囲んで成分を拡散させる溶媒和により,各層を簡単に剥離できた.この剥離法により,数ミクロンを超える大きさのホウ素シートやその単原子層を作ることができた.このシートは,原子層の間でも電気伝導性を示すが,層内(面内)の電気伝導の活性化エネルギーはほぼゼロで,金属性の電気伝導を示した.

 本研究は,簡便に二次元ナノシートを大量合成できることを示した.研究グループは,二次元材料の応用展開に役立つと期待する.今回合成された単原子構造は,グラフェンのような電子部材への応用が期待できよう.またこの単原子層が積層した構造体は,層間に弱い相互作用があることと,多くのカチオンを含むことから,高誘電材料等への応用も期待されるとしている.

(注)Tetsuya Kambe, Reina Hosono, Shotaro Imaoka, Akiyoshi Kuzume, and Kimihisa Yamamoto, "So-lution Phase Mass Synthesis of 2D Atomic Layer with Hexagonal Boron Network", Journal of the Ameri-can Chemical Society, Vol. 141, No. 33, pp. 12984-12988, 2019; doi: 10.1021/jacs.9b06110; Publication Date: August 2