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物性・原理

室温で量子輸送可能な2.8nmのカーボンナノチューブトランジスタ ~熱・応力誘起らせん構造転移による金属CNT内半導体ナノチャネルの実現~

 国立研究開発法人物質・材料研究機構(NIMS),同 産業技術総合研究所(産総研),および東京大学(東大)は2021年12月24日,NIMSの湯 代明 主任研究員らを中心に,産総研,東大に加えてロシア,中国,オーストラリアの研究者が参加する国際共同研究チームが,透過型電子顕微鏡(TEM)内高精度ナノマニピュレーション技術を開発し,個々のカーボンナノチューブ(CNT)のらせん構造を変化させ,金属-半導体転移を制御することにより,CNT分子内トランジスタの作製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)科学研究費補助金等の支援を受け,成果はScience誌に掲載された(注).

 カーボン(炭素,C)がグラファイトのような六角形の網目をなして直径数ナノメートル(nm)の円筒状に巻いて構成されるカーボンナノチューブ(CNT)は,電気伝導度,機械的強度などが優れ,様々な分野への応用展開が進められている.エレクトロニクス分野ではトランジスタに応用して,エネルギー効率が高いナノトランジスタ用素材として,現在のシリコンを超えるマイクロプロセッサを構築できるといわれている.一方,CNTの電気伝導は網の巻き方(カイラリティ)によって,金属性にも半導体性にもなり,トランジスタは半導体性CNTで作られる.しかし,個々のCNTのカイラリティを変えて電気伝導性を制御することは難しかった.これに対し,国際共同研究チームは,金属性CNTの中の一つのCNTを加熱し機械的なひずみを与え,局所的にらせん構造を変化させることで,CNTの電子物性の制御に成功した.

 ナノスケールでの制御を行うため,研究チームは,まず,3次元操作可能な金属のナノ探針を2本備え,ピエゾ駆動ホルダーを応用した精密ナノマニピュレータをTEM内に設置した.TEM観察下で個々のCNTを探し出し,カイラリティの変化を誘起させようと,ナノ探針を接近させて,加熱(ジュール熱)と引っ張りひずみによりCNTを塑性変形させた.このCNTの電子線回折パターンと球面収差補正TEMによる原子分解能TEM像を解析して,カイラリティの変化,らせん角の増大が確認された.

 次に,金属性CNTに架橋された1つのCNTに繋がる金属性CNTをソース,1つのナノ探針をドレイン,もう1つをゲート電極としてサスペンデッド型トランジスタを作製した.CNTに,熱・応力印加を行うと,CNTが半導体性に変わり,トランジスタ動作が確認された.直径約0.6nm,チャネル長約2.8nmのCNTトランジスタにおいて,0.5Vのドレイン電圧下で,ON電流0.74μA,ON/OFF比は3700が得られた.また,チャネル長約8nmのCNTトランジスタにおいて,ゲート電圧-ドレイン電流特性に,電子の波動性(量子性)を示すファブリ・ペロー干渉が観測され,室温で量子輸送の可能なことが分かった.

 今後,CNTのカイラリティを利用した先駆的な電子デバイスの実現を目指すとしている.

(注)D.-M. Tang, S. V. Erohin, D. G. Kvashnin, V. A. Demin, O. Cretu, S. Jiang, L. Zhang, P.-X. Hou, G. Chen, D. N. Futaba, Y. Zheng, R. Xiang, X. Zhou, F.-C. Hsia, N. Kawamoto, M. Mitome, Y. Nemoto, F. Uesugi, M. Takeguchi, S. Maruyama, H.-M. Cheng, Y. Bando, C. Liu, P. B. Sorokin, D. Golberg, "Semiconductor nanochannels in metallic carbon nanotubes by thermomechanical chirality alteration", Science, 23 Dec 2021 o Vol 374, Issue 6575, pp. 1616-1620, DOI : 10.1126/science.abi8884