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導電性を制御可能な新しいナノシート材料の開発に成功 ~水素とホウ素の特異な構造と有機分子吸着がカギ,分子応答性センサーや触媒応用へ期待~

 国立研究開発法人物質・材料研究機構(NIMS),筑波大学,公益財団法人高輝度光科学研究センター(JASRI),東京大学及び東京工業大学は2019年12月10日,NIMS国際ナノアーキテクトニクス研究拠点 冨中 悟史主任研究員と,筑波大学数理物質系 近藤 剛弘准教授,JASRI放射光利用研究基盤センター 尾原 幸治主幹研究員,東京大学物性研究所 松田 巌准教授および東京工業大学 元素戦略研究センター 細野 秀雄栄誉教授らの共同研究チームが,ホウ素と水素のみからなる導電性を持つ新たなナノシート材料を開発し,ナノシートを構成する水素原子が特殊な配置を取っている構造が原因で分子が吸着することにより導電性が大きく変化することを明らかにしたことを発表した.本材料は,ウェアラブルな電子デバイスや新しいメカニズムのセンサーなどへの応用展開が期待できるとしている.本研究は,文部科学省の科学研究費補助金事業,元素戦略プロジェクトおよび東工大元素戦略拠点による支援の下で行われた.本研究成果は,Chem誌にオンライン公開された(注).

 ホウ素と水素のみからなるホウ化水素ナノシート(通称ボロファン)は,理論的に多様な原子配置を取りえて高い導電性を有することが予想され,新しい水素吸蔵材料や電子材料として期待されていた.その合成は困難であったが,2017 年に筑波大学が中心となりNIMSを含む研究機関と共同で,世界で初めて,その合成に成功した(https://www.nims.go.jp/news/press/2017/09/201709260.html).しかし,合成試料は計算による予測に反して結晶ではなかった.そこで,ホウ化水素ナノシートに関して,「導電性を有するのか?」,「なぜ非晶質なのか?」という問いに答えることが本研究の学術的な目的である.

 研究開始当初ホウ化水素ナノシートは絶縁体であった.前処理を変え,高純度試料の測定を繰り返し行い,試料の合成を繰り返すことで,高純度のホウ化水素ナノシートの合成に成功した.その試料をNIMSが繰り返し評価し,合成時の有機分子の微量な残存の吸着により導電性が発現しないことが分かり,適切な前処理により,安定して高い導電性(ホウ化水素としては最高レベル,0.13S/cm)が得られるようになった.

 非晶質であるこの材料の構造解析のために,NIMSとJASRIは,大型放射光施設SPring-8にてX線散乱実験を行い,二体分布関数の導出を行った.非常に複雑なデータであり,通常の手法では解析は困難であるが,NIMSが実験データを機械的に解析するプログラムと,結合電子も含めた全電子状態を解析する全電子二体分布関数解析法を世界で初めて開発したことで,特殊な水素原子の配置が分かり,これにより微量の有機分子の吸着が可能となり,結果的に導電性が安定していなかったことが分かった.分子の吸着で導電性が大きく変わる分子応答性のセンサー材料の開発に繋がるものと考えられ,また,特殊な水素の配置により,酸点と塩基点が存在するため,触媒材料への応用も期待できるとしている.

(注)S. Tominaka, R. Ishibiki, A. Fujino, K. Kawakami, K. Ohara, T. Masuda, I. Matsuda, H. Hosono, and T. Kondo, "Geometrical Frustration of B-H bonds in Layered Hydrogen Borides Accessible by Soft Chemistry", Chem, DOI: 10.1016/j.chempr.2019.11.006; Published: December 09, 2019