【物性】ケイ素版グラフェンこと「シリセン」をSiウェハ上に作製　sp3結合による座屈構造を調整してバンドギャップの導入が可能−JAIST

JAIST、ケイ素版グラフェンこと「シリセン」をSiウェハ上に作製

北陸先端科学技術大学院大学(JAIST)は5月31日、「シリセン」をSiウェハ上に作製し、その構造と電子状態
との関係を解明することに成功したと発表した。

成果は、JAISTマテリアルサイエンス研究科のアントワーヌ・フロランス助教、ライナー・フリードライン准教授、尾崎
泰助准教授、高村由起子准教授らの研究グループによるもの。研究の詳細な内容は、米物理学会の学術誌
「Physical Review Letters」に近日中に掲載の予定だ。

シリセンとグラフェンは、それぞれシリコン(Si:ケイ素)と炭素(C)からなる原子1層分の厚みしかない蜂の巣構造の
シートだ(画像1・2)。2010年にノーベル物理学賞を受賞した研究に代表される、グラファイト(黒鉛)からのグラ
フェンの単離と、その物性に関する研究は、現在も物性物理やナノテクノロジー分野で注目を集めている。

http://news.mynavi.jp/news/2012/05/31/135/images/001l.jpg
画像1。シリセンはSiで構成された原子1層分の厚みしかないシート。ケイ素版グラフェンという趣だが、sp3結合を
好むため、座屈している(やや3次元的になっている)ことが特徴
http://news.mynavi.jp/news/2012/05/31/135/images/002l.jpg
画像2。炭素原子1層分の厚みで構成されるグラフェン。sp2結合を好むため、完全な2次元平面である点が特徴

Siは元素周期表においてCのすぐ下に位置するが、同様な物質をSiで作ることは近年まで不可能だと思われていた。
理由は、SiはCと異なり「sp2結合(黒鉛構造)」よりも「sp3結合(ダイヤモンド構造)」を好むためだ。

しかし、1994年に日本人研究者によってシリセンの構造に関する理論的な研究成果が発表された後、前述した
グラフェンのノーベル物理学賞の受賞の影響もあり、シリセンの研究が世界的に行われるようになった。ただし、
sp2結合のSiは理論的に不安定で、その性質や存在が実験的に確かめられたことはこれまでなかったというのが
実情である。

研究グループは今回、走査型トンネル顕微鏡観察と高エネルギー加速器研究機構の所有する放射光科学
研究施設「フォトン・ファクトリー」における「光電子分光測定」などによる実験結果と、「第一原理計算」による
結果から、Siウェハ上の「エピタキシャル・二ホウ化ジルコニウム(ZrB2)」薄膜上にシリセンを自発的に形成させる
ことに成功したほか、フランスの研究チームによる銀の単結晶上でのシリセン形成も報告した。

なお走査型トンネル顕微鏡は、金属探針を試料表面に1nm程度まで接近させた状態で探針と試料の間に
電圧をかけると両者間に流れる、量子力学的なトンネル効果による電流を利用することで、試料表面の形状を
解像する顕微鏡のこと。原子1つ分の解像度がある。

また、光電子分光測定とは、対象物に一定のエネルギーの電磁波を照射し、光電効果によって外に飛び出して
きた光電子のエネルギーを測定する手法のことで、対象物の電子状態を調べることが可能だ。

さらに第一原理計算とは、経験的パラメータや実験データを利用せずに行う理論計算であり、原子核と電子
それぞれの間で働く相互作用から、量子力学に基づいて物質の性質(結晶構造や電子状態など)を計算する
際に用いられる。

そして、単結晶薄膜形成手法であるエピタキシャル成長は、CVD(Chemical Vapor Deposition:化学気相
成長)法などを用いて基板上に不純物などを含まない結晶層を成長させる技術だ。

シリセンに話を戻すと、理論的な研究によれば、シリセンはグラフェンと同様の特異な電子状態を有し、軽く動き
やすいキャリアを持つと予想されている。その一方で、シリセンはまったくグラフェンと同じというわけではなく、大きく
異なる特徴も持つ。

グラフェンはsp2結合に由来して平坦だが、シリセンは完全なsp2結合が不安定であるため、隣り合う原子同士が
シートに垂直な方向に遠ざかろうとし、「座屈(buckle)した構造」となる。

そのため、シリセンは格子定数もさまざまなものを形成できる可能性があり、その自由な結晶構造に由来して、
今まで予想もされなかった物性の発現が期待されているところだ。
>>2辺りに続く

デイビー日高/マイナビニュース　2012/05/31
http://news.mynavi.jp/news/2012/05/31/135/index.html

研究グループは、Si(111)ウェハ上に導電性セラミックスであるZrB2の薄膜を成長させた時と、その薄膜の表面
酸化膜を超高真空下で除去した時に、ZrB2(0001)上に自発的にシリセンが形成されることを発見した。

ZrB2薄膜は、超高真空チャンバ中で約950℃に加熱したSi(111)ウェハ上に原料の「Zr(BH4)4ガス」を供給
することで得られる。薄膜成長が高温で行われることから、基板から薄膜表面へとSiが拡散。その後、室温
まで冷却することで、ZrB2(0001)に配向した薄膜の表面にエピタキシャルにシリセンが形成されるというわけだ。

この薄膜を大気中に取り出すとその表面は酸化されるが、超高真空下で約800℃に加熱するとこの自然
酸化膜を取り除くことができ、再び表面にシリセンが形成される。

このように非常に再現性よくシリセンを形成することができたため、研究グループはその構造と電子状態を詳細に
調べることに成功したというわけだ。

超高真空走査型トンネル顕微鏡(STM)によるZrB2薄膜上のシリセンの微細構造(画像3)と、フォトン・ファク
トリーにおける「表面敏感内殻光電子分光」によるSiの結合状態の分析および電子の運動量を測定できる
「角度分解紫外光電子分光」による「バンド構造」(固体中を動き回っている電子の取ることができるエネル
ギーと運動量の関係を示した曲線)の測定を実施。また、これらの実験結果をより深く理解するため、第一
原理計算による構造と電子状態の解析も行われた形だ。

http://news.mynavi.jp/news/2012/05/31/135/images/003l.jpg
画像3。ZrB2(0002)超高真空走査型トンネル顕微鏡による、薄膜上のシリセンの微細構造の様子

ZrB2薄膜を介してSiウェハ上に大面積にシリセンを形成できることが実証された。この方法は、加熱するだけで
基板を原料として自発的にシリセンが形成されるため、基板の上にSiを蒸着させる方法と比較すると非常に
再現性がよいのが特徴である。

今回得られたシリセンは、下地であるZrB2とのエピタキシャル関係から、今まで予想されたことのなかった独特の
構造をとっている(画像4)。この構造に起因する「バンドギャップ」(電子が存在できないエネルギー帯)の導入が、
実験と計算から明らかになった。

http://news.mynavi.jp/news/2012/05/31/135/images/004l.jpg
画像4。ZrB2(0001)上シリセンの安定構造の理論計算結果

グラフェンはその強い結合から構造を変えることは難しく、バンドギャップをどうやって導入するかが課題となって
いる。シリセンは容易に座屈するためにその構造を変化させることができ、バンドギャップを導入できることが実証
された。この特質をうまく利用すれば、下地をうまく選ぶことで半導体から半金属までシリセンの性質を変え得る
可能性があるというわけだ。

さらに、このバンドギャップが「直接遷移型」(自由電子・正孔対が直接再結合可能)であることも判明。エレクトロ
ニクス分野で多用されるダイヤモンド構造のSiは間接遷移型の半導体なので、発光素子には使用されない。
今回得られたシリセンはケイ素の同素体としては珍しい、発光素子としても有用な性質を持っている。

シリセンは、微細化が進むSiエレクトロニクスにおける究極のSi薄膜材料であり、その2次元的な性質から物性
物理学的にも大きな注目を集めている状況だ。しかし、課題はたくさんある。シリセンは現在、金属的な下地の
上でしかその形成が確認されていない点もその1つだ。絶縁体上に形成することができればキャリアの輸送特性
などを評価することができ、応用研究へと一歩近づくことがきる。

また、シリセンは大気中で容易に酸化されてしまうのも改良すべき点だ。これを防ぐためにどう保護したらよいか、
という点も応用に向けた大きな問題である。

しかしながら、これらは、空想の産物でしかなかったシリセンの形成が実験的に確認され、再現性のよい作製
方法が見つかった今、初めて取り組むことのできる挑戦しがいのある課題であると研究グループでは説明して
おり、将来的にはシリセンを利用した高速デバイス、光デバイスなどの応用研究へ発展してゆくことが期待
されると述べている。（本文終わり）

世界で初めてシリセンの構造と性質の関係を実験から解明−グラフェンでは難しいバンドギャップの導入が可能−
北陸先端科学技術大学院大学プレスリリース 2012/05/30
http://www.jaist.ac.jp/news/press/2012/post-322.html
>>3辺りに続く

Experimental evidence for epitaxial silicene on diboride thin films
Antoine Fleurence, Rainer Friedlein, Taisuke Ozaki, Hiroyuki Kawai, Ying Wang, and Yukiko Yamada-Takamura
Physical Review Letters Accepted
http://prl.aps.org/accepted/L/15075Y0bC7f1ee2189241e44c0388278599f8f618

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http://anago.2ch.net/test/read.cgi/scienceplus/1337785073/
【ナノ】数層グラフェンと塩化第二鉄のサンドイッチ構造の「GraphExeter」でITO並みの導電率　光透過率87%でシート抵抗値15Ω/□
http://anago.2ch.net/test/read.cgi/scienceplus/1336575276/

脱落

⊂⌒~⊃｡Д｡)⊃

浣腸した後にやっとくやつか。

尻をハリセンで叩くことをシリセンと呼ぶかどうかは知りせん

つまり...どういう事だってばよ？

尻に栓ってことだ

アナルか

>>4
　A　E　D　！　A　E　D　！

ゲイ版グラフェンこと「尻専」がスペシャル３結合で座位がどうたらこうたら

つまりキャバ嬢のケイさんがグラフェンって偽名を名乗るシリセンって男
とウェハ！ウェハ！って言いながら窮屈な姿勢でエッチしてたらバンドギャップという
元彼が現れて3Pでいい？って聞いたらOKだったという事だろ
解ったか？

>>12
すごいわかりやすい。
頭いいな。おまえ。

尻専とは、また玄人だな

ここまでまともなレスがないとは・・・

>>15
だって、何に使えるかさっぱりわかんないんだもん(´・ω・`)

珪素のケミストリーとしては面白いけど、あくまで炭素との比較において面白い
だけで、それ自体が重要な有用性を持っているわけではない。珪素の二重結合の
話も同じだな。

　ゲイの尻栓

グラフェンというよりはダイヤモンドの一層を削りとったようなかたちだな。

こうしてシリコンの上に
シリセン、グラフェン、シリコン、を自由自在に重ねることが出来るようになります
たぶん

Cは、グラフェンは良導体、ダイヤモンドは非常にワイドバンドギャップ、と
極端なので、どちらも半導体として応用するには色々と難しい面がある

CよりSiの方がその辺の極端さが小さいので
Cが直面する難しさを避けて応用できるのではないか？
というのが動機なんじゃないかな

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ワザと文系混乱させるスレタにしただろ。
中身読んでも分からんけど。

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シリセンの特性は分からんから研究するには絶縁体の上に作れればベストなんだけど
今までは導体上にしか出来なかった。今回は半導体上にしかも安定的に出来たと。
こんな感じ？

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シリセンチョップ！

モルタロウこんなところでも大活躍

うちのパソコンのパーツにこの技術が使われるのは
何年後やら…
SSDの何倍の速さになるんだかｗ

実用化はいつだよ

座屈の状態で１と０を記憶するのかね？

えぇい、ホモは帰れ

真面目な話、CVD法でいけるならMBEだとかよりは余程量産性の面ではいいんじゃないか？歩留まりがどうなるかわからんけど
シリセンについては詳しく知らないが、グラフェンと同じ構造や特性なら高速動作が可能な素材としては優秀かもしれん。
仮にCVD法で歩留まりがいいなら光学素材としてもいけるかも。

Si版グラフェンの「シリセン」、北陸先端大が初めてSi基板上に作製
http://techon.nikkeibp.co.jp/article/NEWS/20110412/191051/