マテリアル インテグレーション 2005年2月号
特集　異方性工学のすすめ(3)プロセスと異方性

巻頭言
大阪大学　産業科学研究所　中山　忠親
無機,有機,金属をはじめとしてすべての材料においてはその電子,結晶構造あるいは組織形態に起因した特異な特性を有している.したがって,意図的な構造の制御を行うことにより,材料自体の特性を最大限活用することはもちろん,これまでに活用されてこなかった潜在的な特性を掘り起こすことが可能となる.このような広い意味での構造制御による新素材の発掘は,未来産業が直面する技術的な壁を打破する鍵であり,新産業を生み出すシーズである.しかしながら近年の社会情勢を鑑みると材料研究開発には資金的にも,また,時間的にもリスクが高いために,ここに人材や資本を選択集中することが困難となってきている.従って,このような材料開発研究のリスクを最小限に抑えながら持続的に発展させていくためには,ターゲットを絞り,その目的機能を充足させるための材料を短時間に他に遅れることなく即効的に開発する戦略が不可欠である.これに基づき,汎用にはならなくとも明確な出口に対して要求される特性を引き出すために,材料の持つ本質的な異方性に着目し,ある「きっかけ」を与えることによって,人為的な制御は最低限にしつつ構造の「造り込み」を施すことをねらった研究に着目している.この考えのもと,これまでに本月刊誌2004年1・5月号において「異方性工学特集号」として取り上げられている.
このような活動の中から,NPO法人新産業支援インターマテリアル機構(略称NPO IMAGINE)の主催により,2004年10月31日から11月1日の日程で大阪において第一回異方性工学国際ワークショップ (The 1st Workshop on Anisotropic Science and Technology of Materials and Devices)を開催したところ,独創的で優れた多くの講演を得た(会の詳細は以下のホームページを参照されたい;http://www.imagine-npo.org/seminar/anisotropy.htm).講演はコンピュータシミュレーションによる基礎的な異方構造材料設計への指針から,無機,有機,金属の垣根を越えた様々な異方構造制御プロセス,異方性を利用した材料創成に基づいた実用化例の紹介,など多岐にわたり,活発な議論が行われた.
この議論の中で,材料開発の最終目的は真に人間社会に役に立つ「ものづくり」を行うことにあり,このためには一つ一つの実用化の成功体験を積み上げていくことの難しさ,また,大切さとその喜びを共有することが重要であるという意見が出され,参加者一同がこれに共感した.本特集号においては,異方性を利用した材料設計に基づき,様々な構造・機能・プロセスを集積することで実用化を志向した研究から,これがデバイス設計あるいはモジュール化へと展開された成果ならびに,実際にこのような異方性を利用したものづくりによる実用化例を紹介している.
最後に,本特集が材料開発に取り組む,行政,企業,大学関係者,とりわけこれから材料分野における新産業創成に取り組む起業家をエンカレッジするものとなることを心から願っております.

透明酸化物半導体を用いた透明電界効果トランジスタ
■著者
科学技術振興機構ERATO-SORST　研究員　野村　研二　ほか

■要約
本稿では,TOSのもつ光学透明性と伝導電子制御性を利用したデバイスとして透明電界効果型トランジスタ (透明FET) を紹介する.高性能デバイスを実現するのには多くの技術を確立する必要があるが,そのうち,高品質薄膜の作製技術と,それを用いた材料固有のキャリア輸送特性の解析についてまず説明したい.
その後,FETデバイス性能について述べ,透明酸化物半導体デバイスの可能性について議論する.


酸化物ウイスカーによる発光デバイス
■著者
長岡技術科学大学　化学系　教授　斎藤　秀俊

■要約
セラミックス冷陰極には,ナノ先端からの電界放射現象を利用している.ナノ先端は大気開放型化学気相析出 (CVD) 法で合成されたZnOセラミックスウイスカーマトリックスの先端に形成される.セラミックスウイスカーの最先端にはアモルファス窒化炭素やMgOといった比較的電子を放出しやすい材料のナノ薄膜からなるトップコートが施されている.このセラミックス冷陰極は,先端の鋭い曲率とナノ薄膜の低い仕事関数との組み合わせを利用して,高真空中に電子を効率よく放射する.一方,蛍光ウイスカーではウイスカー結晶中に発光のもとになる賦活元素を適正な酸化物結晶位置に確実に添加する技術を利用して明るい輝度を確保している.本稿では赤色発光デバイスを構成するセラミックス冷陰極と蛍光ウイスカーの要素技術について,異方性工学をキーワードにそれぞれ解説する.


MOS界面の異方性を活用した高耐圧SiCトランジスタ
■著者
京都大学大学院　工学研究科電子工学専攻　助教授　木本　恒暢　ほか

■要約
近年,SiC結晶成長技術とデバイス作製技術が急速に進展し,300〜600V級のショットキーダイオードが製品化されるに至ったが,SiCスイッチング素子はまだ研究開発段階にある.SiCパワーMOSFETは,その本命と期待され,縦型のSiCパワーMOSFETに関する研究報告が増えている.しかしながら,MOS界面の品質が不十分であることが認識され,その特性向上に関する基礎研究が重要視されている.一方,SiCパワーデバイスも将来的には,駆動回路や制御回路との一体化が進められ,高機能パワー集積回路 (IC) のニーズが高まると予測される.このような素子実現には,集積化に適した横型のパワーMOSFETが有望と考えられるが,その研究は非常に少ない.本稿では,SiCのMOS界面における異方性に着目して,将来の高耐圧パワーICを目指した横型SiC RESURF (REduced SURface Field) MOSFETの作製を行った結果を紹介する.MOS界面の異方性,デバイス作製プロセス,デバイス特性について述べる.


異方性を利用した超電導線材の作製プロセス
■著者
(財)国際超電導産業技術研究センター　超電導工学研究所　線材研究開発部　名古屋高温超電導線材開発センター　山田　穣

■要約
超電導は,MRI,リニアモーターカーなどに代表されるように現在そして将来の省エネ技術である.その根源は,読者ご承知のように完全なゼロ抵抗にある.この主の応用はほとんどがコイル機器であり,超電導線がコイル状に巻かれ,磁場を発生する.この高い磁場あるいは時間的空間的に均一な磁場を利用して有益な機器が作られる.さて,このための材料であるが,ざっと数えても数十種類あるが,線材として使われている,あるいは,その開発途上にあるのは,10種類程度である.大別するとNbTi,Nb3Snのような金属系線材,2)酸化物線材に分けられる.


積層ナノコンポジット構造化による残留応力,機械的及び熱伝導特性の異方制御
■著者
大阪大学産業科学研究所　助教授　関野　徹　ほか

■要約
ナノメーターサイズの第2相粒子を多結晶体であるセラミックスへ分散させたナノコンポジット(ナノ複合材料)では,マトリックス結晶粒子の微細化や粒径の均一化に加え,単相材料と異なる破壊モードの実現,き裂進展初期における高靭化,粒界すべり抑制に伴う耐クリープ性の向上などが発現する.これら機能発現はマトリックスとの熱膨張係数差に起因して分散ナノ粒子近傍に発生する局所残留応力と,それが集積したマクロ残留応力に依存する.一方,異なるセラミックスを2次元的に積層構造化した複合体やコーティング材料などでは,異相層間の物理的性質差に起因して発生する残留応力が特性を左右する大きな原因となる.この場合,構造異方性(2次元性)に依存して発生する応力もベクトルとしての性質がより強まり,材料設計によって任意方向に応力(引張り,圧縮)を制御することができ,力学的特性などの異方構造制御が可能となる.我々は,こうしたナノレベル構造制御とミクロレベル2次元異方構造制御手法を融合させることで,両階層において材料特性に重要な残留応力を制御した新規な積層ナノコンポジット材料の創製と高次機能化を目的として一連の研究を行ってきた.具体的には,これまでナノ複合化研究例の多いアルミナ (Al2O3) 及びイットリア安定化正方晶ジルコニア (t-ZrO2, 3Y-TZP)をモデル材料として,この積層材料の一方或いは両方の層に炭化ケイ素 (SiC) ナノ粒子を分散したハイブリッド型積層ナノコンポジット材料について様々な設計・創製及び機能評価を行った.本稿では,始めに積層複合材料の応力制御手法の基礎と積層ナノコンポジット材料設計指針を示し,次いでアルミナ/ジルコニア積層ナノコンポジット材料の構造とマクロ残留応力特性並びに高靭化例を示す.最後にこれら積層ナノコンポジット構造設計コンセプトを更に進展させ,単一バルク材料の表面層のみにナノ粒子を導入したナノコンポジットコーティング材料を作製し,その残留応力と力学特性および特異な熱伝導特性について示す.


液晶の光学的異方性によるチューナブルフォトニック結晶とレーザー
■著者
大阪大学大学院　工学研究科　電子工学専攻　教授　吉野　勝美　ほか

■要約
液晶とは,文字通り液体と結晶の性質を併せ持つ物質を云う.すなわち,液体の流動性と結晶の異方性を同時に兼ね備えている.特に,誘電率,帯磁率,屈折率,導電率,弾性定数,粘度など様々な性質における異方性は,他の物質に比べて大きい.例えば,屈折率の異方性は,棒状分子が並んでいる長軸方向と短軸方向とでは,通常,0.1から0.2,大きなものでは,0.6に及ぶものもある.また,誘電率の異方性も常誘電体でありながら比誘電率の差にして30を超えるものも少なくない.このような性質によって,液晶は,伝搬する光の性質を大きく低電圧で制御することが可能となり,今日の液晶ディスプレイの基礎となっている.もちろん,この光学的,誘電的異方性は,ディスプレイのみならず様々な光学材料,デバイスに応用可能である.一方,光の波長程度の周期で三次元的に屈折率の変化する物質では,光の存在が許されないいわゆるフォトニックバンドギャップ (PBG) が存在する可能性があり,このような物質をフォトニック結晶と呼ぶ.また,必ずしも三次元的な周期構造ではなくても一次元的に屈折率が周期的に変化するような媒質でも,完全なPBGは発現しないものの,バンド端での群速度異常に基づくレーザー発振など面白い現象が観測される.このような屈折率の周期構造は,微細加工によって作られることが多いが,光学的異方性を有する液晶の配列を周期的に変えてやることによって実現でき,事実,コレステリック液晶は,液晶分子が光の波長程度のピッチで捻れた螺旋構造を形成しており,この螺旋構造内に光が入射すると,その螺旋周期に対応した波長の光が反射される.これはストップバンドとも呼ばれているが,一次元フォトニックバンド構造におけるPBGによる効果と考えることができる.また,既存のフォトニック結晶と液晶とを組み合わせることにより,フォトニック結晶の性質を動的に制御することも可能となる.いずれも,液晶のもつ異方性に由来する新しいフォトニック結晶であると言える.ここでは,周期構造と液晶とを複合させた系並びにカイラル液晶の自己組織的な螺旋周期構造を取り上げて,周期構造に基づくレーザー発振や,ストップバンドおよびレーザー発振波長の電場による制御などについて述べる.


フォトニックフラクタルの構造制御と電磁波局在
■著者
大阪大学接合科学研究所　附属スマートプロセス研究センター　教授　宮本　欽生　ほか

■要約
フラクタルは,細部を拡大すると全体と似た構造になるという自己相似性の幾何学概念として知られている.我々は3次元の空間に住んでおり,点は0次元で,線分が1次元,平面が2次元と認識しているが,フラクタル構造の次元は0.63や2.73のように非整数で示され,常識では理解しにくい様相を呈する.異方性は,3次元的に等方的な構造や性質から偏った状態をいい,2次元層状構造や,1次元的な電気伝導など,次元が制約された構造や性質になるが,しからば小数点のつく次元の構造がもたらす性質は一体どうなるのだろうか? 我々は,2003年3月にメンジャースポンジと称するフラクタル次元が2.73の立体構造を誘電体で作製したところ,フラクタルの構造と誘電率で決まる周波数のマイクロ波を照射すると反射も透過も殆どせず内部に強く局在する現象を世界ではじめて発見し,フォトニックフラクタルと命名した.この事実は,小数点のつく次元の構造が,単なる数学的なレトリックではなく,現実にあらたな機能をもたらすことを示唆
している.フォトニックフラクタルについてはすでに本誌の昨年10月号に特集記事を掲載したが,本稿では,フラクタル構造と電磁波局在の関係について,その後得られた知見を含め紹介したい.


カーボンナノチューブの異方構造を利用した新規デバイスの設計
■著者
大阪大学　産業科学研究所　量子機能科学研究部門　教授　松本　和彦

■要約
単層のカーボンナノチューブは,直径が数ナノメートルで,長さが数マイクロメートルと,1000以上の高いアスペクト比の異方構造を有している.この高い異方性こそ,カーボンナノチューブをナノデバイスに利用する大きな原動力となっている.即ち直径方向のサイズが従来の微細加工技術では到達できないサイズであり非常に魅力的であるばかりでなく,長さ方向が従来の微細加工技術で到達できるサイズであるために容易に電極に形成でき,その電気的特性を評価することができる.さらに形状が微細であるという特長のみならず,一次元構造に基づいた特異な伝導特性を有しており,これらの特長を活かした様々なデバイスの研究が活発になっている.ここではカーボンナノチューブの異方構造に基づく特異な伝導の一つである1) 単一電子トランジスタ特性とバリスティック伝導特性,2) カーボンナノチューブ内のスピンのゼーマン分離,3) 電界効果トランジスタ及びピーポッドFET等について,最近の日本の研究の現状とともに述べる.


連載
タイ便り(その27)私の学生-その2
■著者
Chulalongkorn Univ. Faculty of Science 教授　和田　重孝

■要約
タイ便り(18)にチュラロンコン大学の理学部材料学科の修士課程で私が指導教官をしている5人の学生を紹介した.引き続き6人の学生を紹介する.Kc君はすでに卒業している.他の5人の内Ko君を除く4人は2004年末頃には卒論のDefenseが終わるはずである.


連載
近代日本のセラミックス産業と科学・技術の発展に尽力した偉人,怪人,異能,努力の人々(15)石灰,合成雲母,炭素材料,人工鉱物の合成研究などをされた名古屋大学,三重大学,岡山理科大学　野田稲吉　教授
■著者
宗宮　重行


連載
第2次世界大戦後の日本のセラミックス科学の発達に友好や親善に尽力した世界の大学教授 (12) 月の石の電子顕微鏡観察を短期間でやり,ジルコニアに関して有益な実験をし,第1回ジルコニアの科学と技術の国際会議を主催し,ジルコニア研究を推進したアメリカClevelandのCase Western Reserve University (CWRV) のArthur H. Heuer教授
■著者
宗宮　重行