室温で量子輸送可能な2.8 nm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)
国立研究開発法人産業技術総合研究所 (AIST)
国立大学法人東京大学大学院工学系研究科

NIMSを中心とする国際共同研究チームは、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の開発を行い、個々のカーボンナノチューブ (CNT) に対して局所的に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ました。

概要

  1. 国立研究開発法人物質・材料研究機構 (NIMS) を中心とする国際共同研究チームは、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の開発を行い、個々のカーボンナノチューブ (CNT) に対して局所的に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ました。
  2. 半導体CNTは、エネルギー効率が高いナノトランジスタ用素材として非常に有望であり、現在のシリコンを超えるマイクロプロセッサの構築を可能とすると言われています。しかし、立体構造や電子特性を決定する個々のCNTのらせん構造を制御することは、依然として大きな課題でした。
  3. 今回、共同研究チームは、TEMを用いてその場観測しながら、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世界に先駆けて成功しました。本研究では、CNTの金属伝導から半導体伝導への転移をコントロールし、金属CNTのソースとドレインの間に半導体CNTナノチャネルを共有結合させたナノチューブトランジスタを実現しました。作製したナノチューブトランジスタは、チャネル長がわずかに2.8ナノメートル (1ナノメートルは10億分の1メートル) で、室温での量子輸送であることが初めて実証されました。
  4. 今後は、分子構造操作による革新的なナノスケール電子デバイスの可能性を示した本研究成果に基づき、原子精度の材料構造工学および単一分子、単一原子レベルの電子、量子機能デバイスの設計と製造を目指していきます。
  5. 本研究は、NIMSの湯代明Ovidiu Cretu、Xin Zhou、Feng-Chun Hsia、川本直幸三留正則根本善弘上杉文彦竹口雅樹、産業技術総合研究所(AIST)のDon N. Futaba、陳国海、東京大学の丸山茂夫、項栄、鄭永嘉、ロシア国立科学技術大学のSergey V. Erohin、Pavel B. Sorokin、Emanuel Institute of Biochemical PhysicsのVictor A. Demin、Dmitry G. Kvashnin、中国科学院金属研究所のSong Jiang、Lili Zhang、Peng-Xiang Hou、Hui-Ming Cheng、Chang Liu、オーストラリアウーロンゴン大学の板東義雄、クイーンズランド工科大学のDmitri Golberg (NIMS国際ナノアーキテクトニクス研究拠点(MANA)のサテライト主任研究者) からなる研究チームにより実施されました。また、本研究成果の一部は、日本学術振興会 (JSPS) 科学研究費補助金、および科学技術振興機構戦略的創造研究推進事業 (CREST) の支援を受けて行われました。
  6. 本研究成果は、米国学術誌Science誌の2021年12月24日 (日本時間) オンライン掲載 (science.org/doi/10.1126/science.abi8884) されます。

「プレスリリース中の図 : CNT分子内トランジスタの模式図(a)、透過型電子顕微鏡像(b)と電流—電圧特性(c)」の画像

プレスリリース中の図 : CNT分子内トランジスタの模式図(a)、透過型電子顕微鏡像(b)と電流—電圧特性(c)



掲載論文

題目 : Semiconductor nanochannels in metallic carbon nanotubes by thermomechanical chirality alteration
著者 : Dai-Ming Tang, Sergey V. Erohin, Dmitry G. Kvashnin, Victor A. Demin, Ovidiu Cretu, Song Jiang, Lili Zhang, Peng-Xiang Hou, Guohai Chen, Don N. Futaba, Yongjia Zheng, Rong Xiang, Xin Zhou, Feng-Chun Hsia, Naoyuki Kawamoto, Masanori Mitome, Yoshihiro Nemoto, Fumihiko Uesugi, Masaki Takeguchi, Shigeo Maruyama, Hui-Ming Cheng, Yoshio Bando, Chang Liu, Pavel B. Sorokin, Dmitri Golberg
雑誌 : Science
掲載日時 : 2021年12月24日
DOI : 10.1126/science.abi8884


お問い合わせ先

(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)
主任研究員 湯 代明 (たん だいみん)
TEL: 029-860-4949
E-Mail: TANG.Daiming=nims.go.jp
([ = ] を [ @ ] にしてください)
国立研究開発法人産業技術総合研究所
ナノチューブ実用化研究センター
研究チーム長
Don N. Futaba (どん ふたば)
TEL : 029-861-4402
E-Mail: d-futaba=aist.go.jp
([ = ] を [ @ ] にしてください)
国立研究開発法人産業技術総合研究所
ナノチューブ実用化研究センター
主任研究員 陳 国海 (ちぇん ぐぅおはい)
TEL : 029-861-4416
E-Mail: guohai-chen=aist.go.jp
([ = ] を [ @ ] にしてください)
国立大学法人東京大学
大学院工学系研究科 機械工学専攻
教授 丸山 茂夫 (まるやま しげお)
TEL: 03-5841-6421
E-Mail: maruyama=photon.t.u-tokyo.ac.jp
([ = ] を [ @ ] にしてください)
国立大学法人東京大学
大学院工学系研究科 機械工学専攻
准教授 項 栄 (しゃん ろん)
Tel: 03-5841-6408
E-Mail: xiangrong=photon.t.u-tokyo.ac.jp
([ = ] を [ @ ] にしてください)

(報道・広報に関すること)

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〒305-0047 茨城県つくば市千現1-2-1
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