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世界最高性能の原子層誘電体

~ペロブスカイトの原子層制御で高誘電率化を実現~

2017.08.03
(2017.08.03 更新)

NIMSの研究グループは、高誘電体として知られる層状ペロブスカイト構造を持つナノシートを作製し、原子レベルの層構造の制御により高誘電率化を実現し、膜厚10nm以下のナノスケール領域で世界最高性能 (誘電率 : 470) を有する誘電体膜の開発に成功しました。

国立研究開発法人物質・材料研究機構 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点 (MANA) の長田実 MANA主任研究者、佐々木高義 拠点長らの研究グループは、高誘電体 (高い誘電率を有する物質) として知られる層状ペロブスカイト構造を持つナノシートを作製し、原子レベルの層構造の制御により高誘電率化を実現し、膜厚10nm以下のナノスケール領域で世界最高性能 (誘電率 : 470) を有する誘電体膜の開発に成功しました。

グラフェンをはじめとする原子層物質、2次元物質は、薄く強靭で、かつ高い電気伝導性などすぐれた性質を持つため、世界中で盛んに研究されています。2次元物質の電子デバイスへの応用が検討されている中で、グラフェンにはない新機能の開拓を目指そうとする研究、いわゆる「ポストグラフェン材料」への関心が急速に高まっています。特に、電荷を蓄え、かつ絶縁性を有する誘電体は、コンデンサ、メモリ、トランジスタなどの電子デバイスに欠かせない材料です。しかし、これまで開発された2次元物質の多くは電気伝導性材料であるため、2次元物質においても高い誘電率を有し、特性を自在に制御できる材料の開発が待ち望まれていました。

本研究グループは、酸化物ナノシートをベースとした誘電体材料の開発を進めており、今回、高誘電体として知られる層状ペロブスカイト構造を持つ一連の物質群の中から世界最高の誘電率を持つ誘電体ナノシート (Ca2Nam−3NbmO3m+1; m = 3–6) の開発に成功しました。この誘電体は、原子レベルで構造を制御することで、誘電率をコントロールすることが可能というユニークな特徴を持っています。実際、mを変化させ、単位ユニットに相当する金属酸素八面体 (厚み : 0.4nm) を1個増やすことで、八面体3個の3層型誘電体 (誘電率 : 210) から誘電率が約80ずつ増加し、八面体数が6個の6層型誘電体では、膜厚10nm以下のナノスケール領域で安定な誘電特性、絶縁性を示し、世界最高の誘電率470と高い電気容量 (203 μF/cm2) を実現しました。以上の特性を利用すれば、従来の高誘電体と比較し、1/100の小型化と1000倍以上の大容量化を同時に実現する高性能のコンデンサ素子の開発が期待できます。

今回の成果は、高誘電体材料の開発に向けて新たな設計指針を与えると同時に、ナノシートが持つ高容量特性、高い絶縁性という特徴を利用した高容量コンデンサなどへの応用展開が期待されます。本研究成果は、米国化学会学術誌「Journal of the American Chemical Society」の2017年7月27日付オンライン版に掲載されました。


ペロブスカイトの原子層制御による高誘電率化のイメージ図




本件に関するお問い合わせ

(研究内容に関すること)

国立研究開発法人物質・材料研究機構
国際ナノアーキテクトニクス研究拠点(MANA)

ナノシステム分野
機能性ナノシートグループ
グループリーダー

長田 実 (おさだ みのる)

Tel:029-860-4352 (直通)

E-Mail:osada.minoru=nims.go.jp
([ = ] を [ @ ] にしてください)

(報道・広報に関すること)

国立研究開発法人 物質・材料研究機構
経営企画部門 広報室

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Fax:029-859-2017

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