金属酸窒化物半導体ナノシートの合成方法を開発：光吸収特性の制御にも成功

熊本大学は、金属酸窒化物半導体ナノシートの合成方法を開発し、光吸収特性を制御できることも明らかにした。電子デバイス材料や光エネルギー変換デバイス材料などへの応用が期待される。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

電子デバイス材料や光エネルギー変換デバイス材料などに応用

　熊本大学産業ナノマテリアル研究所の伊田進太郎教授らによる研究グループは2023年2月、「金属酸窒化物半導体ナノシート」の合成方法を開発し、光吸収特性を制御できることも明らかにした。電子デバイス材料や光エネルギー変換デバイス材料などへの応用が期待される。

　さまざまなナノシートの研究が進む中で、剥離に必要な層状物質の合成や層剥離が難しい金属酸窒化物半導体ナノシートについては、あまり進展していなかったという。ただ、酸窒化物の微粒子や薄膜は、光触媒や強誘電体デバイス、発光デバイスといった分野で、酸化物よりも優れた機能を示すものが多いことから、酸窒化物半導体ナノシートを自由に合成できる技術の開発が求められていたとする。

　研究グループが今回行った合成の手法はこうだ。まず固相法で層状酸化物「KLaNb₂O₇」を合成、その層状酸化物を過剰量の炭酸カリウムと混合して、750〜880℃のアンモニア気流中で焼成し、層状酸窒化物「K_1+xLaNb₂O_7-xN_x」を合成した。層状酸窒化物は、焼成温度によって酸素と窒素の比率を変えることが可能であり、これによってバンドギャップの大きさを制御できることが分かった。

　合成した層状酸窒化物を酸処理した後に、「エチルアミン水溶液」と「テトラブチルアンモニウムヒドロキシル水溶液」を用いて2段階インターカレーション剥離を行うことにより、酸窒化物「LaNb₂O_7-xN_x」ナノシートが得られたという。

金属酸窒化物半導体ナノシートの合成スキーム 出所：熊本大学

酸窒化物ナノシートの原子間力顕微鏡（AFM）像とナノシート分散溶液の写真 出所：熊本大学

　研究グループは、LaNb₂O_7-xN_xナノシートの光吸収特性を評価した。これにより、薄い黄色から橙色領域である2.03〜2.63eVの範囲で、バンドギャップを制御できることが分かったという。また、LaNb₂O_7-xN_xナノシートと酸化物「Ca₂Nb₃O₁₀」ナノシートを交互に積層した超格子構造を作製。酸窒化物半導体ナノシートが複雑なナノ構造を形成するためのナノパーツとして機能することが明らかになった。

　さらに、LaNb₂O_7-xN_xナノシートとCa₂Nb₃O₁₀ナノシートを混合したハイブリッド体を作製し、さまざまな特性を評価した。特に光触媒活性では、酸窒化物ナノシートと酸化物ナノシートのハイブリッド体が、酸窒化物ナノシート単体よりも可視光照射下で高い水素生成活性を示すことが分かった。

　研究グループは、「酸窒化物半導体ナノシートの合成方法を深化させることで、半導体のバンドギャップだけでなく、キャリア濃度や移動度などの物性も制御できるようになる」とみている。