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» 2012年11月08日 11時57分 公開

カーボンナノチューブ素子のICチップ、 “せっけん”と“トレンチ”で実用へ前進材料技術(2/2 ページ)

[Dylan McGrath,EE Times]
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溝とせっけんが高密度・高精度のカギ

 IBMは前述の通り、カーボンナノチューブ技術の実用化に立ちはだかる障壁として、材料の純度やトランジスタ素子の配置などの課題があるとみている。カーボンナノチューブは金属性のものと半導体性のものが混ざって存在しているため、電子回路を形成するにはウエハー上に完全な精度で配置する必要がある。

 IBMによると、トランジスタ素子としての動作に利用できるのは半導体性のナノチューブだけであり、そのためには回路中のエラーを防ぐために金属性のナノチューブを完全に除去しなければならない。さらに、大規模な集積回路を形成するには、基板上にあるカーボンナノチューブ素子の配置や向きを制御できることが必須条件となる。

 これらの課題を克服すべく、IBMの研究グループは今回、イオン交換体を用いる手法を開発した。この手法を使えば、カーボンナノチューブを基板上に高密度で、向きを正確に制御しながら配置できると説明する。具体的には、ナノチューブ1つ1つの配置を制御し、1cm2当たり約10億個の密度を達成したという。

 今回の手法では、カーボンナノチューブを水に溶かしやすくするために、せっけんの一種である界面活性剤をカーボンナノチューブに混合する。一方で、基板に化学修飾した酸化ハフニウムと酸化ケイ素の2種類の酸化物からなるトレンチ(溝)を形成しておく。基板を横から見ると、表面に凹型のトレンチがあり、酸化ハフニウムの領域がそのくぼみの部分になる。

カーボンナノチューブ素子(赤色で示されている網目状の円筒)を配置した基板を上から見た様子である。青色の領域が酸化ケイ素で、黄色の領域が酸化ハフニウム。この部分を横から見ると、断面は凹状のトレンチになっており、黄色で示した酸化ハフニウムの領域がくぼみに相当する。そこにカーボンナノチューブ素子が化学結合によって貼り付いて、トレンチにすっぽり収まっている格好だ。(クリックで拡大)

 この基板をカーボンナノチューブの溶液に浸す。すると、カーボンナノチューブは化学結合によって酸化ハフニウムの領域に貼り付き、基板表面のそれ以外の領域は清浄な状態に保たれる。トレンチの形状は、基板を上から見ると長方形になっており、そこにカーボンナノチューブがぴったり収まる格好になる。従って、トレンチを高い精度で形成すれば、カーボンナノチューブを配置する位置と向きもその精度で制御できるという仕組みである。

さまざまな応用、その一方で懸念も

 現在、世界中の科学者がカーボンナノチューブの応用研究に取り組んでおり、エレクトロニクス分野のICのみならず、エネルギーの貯蔵や変換、バイオセンサー、そしてDNA配列解読などの幅広い用途を狙った研究を進めている。

 ただしその一方で、カーボンナノチューブの信頼性や、潜在的な毒性について危惧する声もある。米国の標準技術局(NIST:National Institute of Standards and Technology)は2011年に、「カーボンナノチューブ・デバイスの信頼性は大きな問題である」という結論を下した。産学官が参加する世界的な半導体研究コンソーシアムであるSemiconductor Research Corporationが2011年に実施した調査では、ナノチューブに毒性は無いと結論付けているが、他の複数の調査で毒性を確認したとの報告もある。

【翻訳:青山麻由子、田中留美、編集:EE Times Japan】

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