窒化ガリウムナノチューブ
ジグザグ型とアームチェア型のGaNナノチューブ

窒化ガリウムナノチューブ（GaNNT）は、窒化ガリウムのナノチューブです。化学気相成長法によって成長させることができます（直径30～250 nm）。[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]

歴史

単結晶窒化ガリウムナノチューブは、2003年4月10日にバークレー大学化学科のPeidong Yangと彼の研究チームによって初めて合成されたと報告されました。[ 3 ]この合成は、Yangと彼の同僚が以前に開発したエピタキシャルキャスティングと呼ばれるプロセスを使用して、サファイアウエハー上に純粋な酸化亜鉛結晶からナノワイヤを作成することによって達成されました。次に、これらの酸化亜鉛ナノワイヤをテンプレートとして使用し、その上に化学蒸着法で窒化ガリウムの結晶を成長させました。[ 3 ]窒化ガリウムの結晶が形成されると、サファイアウエハーに熱が加えられ、酸化亜鉛ナノワイヤのコアが蒸発しました。窒化ガリウムは酸化亜鉛に比べてはるかに熱的に安定した材料であるため、この結果、中空の窒化ガリウムナノチューブが残りました。得られた窒化ガリウムナノチューブは、長さ2～5μm、直径30～200nmで均一でした。[ 3 ]

窒化ガリウムナノチューブの構造と特性

一般的な形状とサイズ

GaNNTは、より広く知られているカーボンナノチューブに類似した一次元物質です。GaNNTの実験的および理論的解析により、これらのナノチューブは直径30～250 nm、壁厚5～100 nmで構成できることが示されています。[ 3 ] [ 2 ] GaNNTは、チューブの「巻き方」によっても異なります。巻き方は分子構造の曲がり方によって分類され、チューブがどのように曲げられたかを決定するために(n, m)形式が使用されます。最も一般的な2つの形状は、(n, 0)方向の曲がりを持つジグザグ型と、(n, n)方向の曲がりを持つアームチェア型です。ナノチューブのサイズとナノチューブの巻き方は、特定のGaNNTの特性に影響を与えます。

GaNNTの構造特性は、GaNNTの単位格子の格子定数cから始まります。格子定数は原子間の結合長に依存します。ジグザグ形状の場合、c = 3 - (結合長)、アームチェア形状の場合、c = √3 - (結合長)です。理論的な評価により、最適な結合長は、ジグザグ型ナノチューブでは1.92オングストローム、アームチェア型ナノチューブでは1.88オングストロームであることが分かっています。このチューブ形状は、0Kをわずかに超える温度から800Kまでの非常に広い温度範囲で安定しています。[ 3 ]

バンド構造

GaNNTのバンドギャップは、ナノチューブの巻き方とサイズの両方に依存します。ジグザグ型GaNNTは直接バンドギャップを持つのに対し、アームチェア型GaNNTは間接バンドギャップを持つことがわかりました。さらに、バンドギャップは半径の増加に伴って増加します。しかし、ジグザグ型GaNNTではバンドギャップが大幅に増加するのに対し、アームチェア型GaNNTではバンドギャップの増加はわずかです。構造中の窒素空孔はエネルギー的には不利ですが、ガリウム空孔よりも発生しやすいため、電子のスピン状態に依存するバンドが形成されます。スピンダウン電子のバンドはフェルミ準位より上に空孔を形成し、バンドギャップを増加させます。一方、スピンアップ電子のバンドはフェルミ準位より下に空孔を形成し、バンドギャップを減少させます。このスピン依存のバンド分裂により、GaNNTはスピントロニクス・コンピューティングシステムの有望な候補となっています。[ 2 ]

機械

GaNNTの機械的特性はナノチューブの巻き方に影響を受けるが、ナノチューブのサイズも影響するかどうかは不明である。ヤング率は、(5,5)アームチェア型ナノチューブでは793GPa、(9,0)ジグザグ型ナノチューブでは721GPaと計算された。(5,5)アームチェア型ナノチューブと(9,0)ナノチューブのその他の計算値としては、最大引張強度がそれぞれ4.25 eV/Åと3.43 eV/Å、臨界ひずみがそれぞれ14.6%と13.3%、ポアソン比がそれぞれ0.263と0.221であった。これらの中間の(n, m)ナノチューブの特性は、これらの範囲のどこかにあると推定される。[ 4 ]

機械的特性は、材料の温度とナノチューブにかかるひずみ速度によっても影響を受ける。温度に関しては、GaNNTの引張強度は高温で低下する。高温では、活性化エネルギー障壁を乗り越えるのに十分なエネルギーを持つ分子が増えるため、より低いひずみで変形が生じる。材料のひずみ速度が低い場合、引張強度は低下する。これは、材料全体が一定のひずみを受けていないため、材料のある場所では他の場所よりも高い応力が生じるためである。ひずみ速度が遅いほど、GaNNTは十分な局所変形を誘発する時間が増え、そのため塑性変形が早く起こる。つまり、ひずみ速度が遅いほど引張強度は低下する。[ 4 ]

合成

六方晶窒化ガリウムナノチューブ（h-GaN）

窒化ガリウム (GaN) ナノチューブは、主にテンプレート指向法または気相固体 (VS) 成長のいずれかの方法で形成されます。

テンプレート指向法

テンプレート法では、六方晶系酸化亜鉛（ZnO）ナノワイヤをテンプレートとして使用する。化学気相成長法を使用して、GaNの薄層をテンプレート上に堆積し、エピタキシャル成長による鋳造物を作成する。次に、ZnOナノワイヤテンプレートを熱還元および蒸発によって除去する。透過型電子顕微鏡（TEM）を使用した分析では、テンプレートを除去した後、ナノチューブの上部にZnO残留物が多孔質GaNの薄膜とともにまだ見られることが示されている。これは、ナノチューブ形成の初期段階で、亜鉛と酸素がGaNの多孔質層を通ってテンプレートから抜け出た結果である。この方法で生成されたh-GaNナノチューブは主に片方が開いていて片方が閉じているが、両端が開いているチューブも見られた。エネルギー分散型X線分光法（EDS）を使用して、ナノチューブはガリウムと窒素の強度比が1：1であることが観察された。ナノチューブの壁の厚さは5～50nm、内径の長さは30～200nmであった。[ 5 ]

気相成長

GaNナノチューブはテンプレートなしでも作製できます。h-GaNナノチューブを作製するもう一つの方法は、二段階プロセスを用いて酸化ガリウム(III)（Ga 2 O 3）ナノチューブをh-GaNナノチューブに変換することです。この方法では、生成されるナノチューブのサイズと形状のばらつきが少なくなります。生成されるナノチューブは、長さ約10 nm、外径約80 nm、壁厚約20 nmの均一な形状です。この方法では、Ga 2 O 3の量に応じて4～5.0%の生成物が得られます。[ 5 ]

立方晶窒化ガリウムナノチューブ（c-GaN）

Ga 2 O 3粉末とアンモニア（NH 3）を用いれば、テンプレートを使用せずに気相固相法でc-GaNナノチューブを合成することもできる。この方法では、触媒を使用しない高温プロセスが用いられるが、これには特定の条件が必要となる。その条件の一つが高温である。c-GaNナノチューブの成長は約1600℃（h-GaNナノチューブの成長に必要な条件より200℃高い）で行われ、プロセス全体を通して継続的に温度が上昇した。また、ナノチューブの製造に必要な二段階の化学反応中に、 NH 3とN 2の流量を増加させる必要もあった。 [ 6 ]

最初のステップでは、グラファイトるつぼから炭素を取り出し、Ga 2 O 3と反応させてGa 2 O蒸気を生成する。この蒸気は次にNH 3と反応して固体GaNナノ粒子を生成し、NH 3とN 2の流れに巻き込まれる。ナノ粒子はその後、低温誘導炉に送られ、炭素繊維上に集合し、気相成長によって長方形ナノチューブを自己組織化する。形成されたナノチューブのほとんどは、長さ50～150nmの正方形または長方形の断面を有する。チューブの壁厚は20～50nm、長さは数マイクロメートルであることがわかった。[ 6 ]

この方法が適用される前には、c-GaNのナノ結晶がGaNの立方構造で合成できる唯一のナノ構造でした。[ 6 ]

最近の進捗状況

大規模製造

M. Jansenらは、窒化ガリウムナノチューブを生成するための低コスト、高速、かつ大規模な製造プロセスを開発した。これは、リソグラフィーと誘導結合プラズマトップダウンエッチングを組み合わせ、シリコンナノリングアレイのハードエッチングマスクを作成することで実現した。 [ 7 ]次に、このナノリングアレイをバルク窒化ガリウムの表面に配置し、エッチングすることで、均等な比率のナノチューブ構造を作製した。[ 7 ]

マイクロチップ統合

韓国ソウル国立大学のChu-Ho Lee氏と彼の研究グループは、シリコン基板上に作製されたインジウムドープ窒化ガリウムナノチューブの合成に成功した。研究グループはこれらのナノチューブを発光ダイオードとして用い、主に緑色の可視スペクトルで発光させた。[ 8 ]これらのナノチューブの合成は制御可能な幾何学的パラメータに依存しているため、窒化ガリウムナノチューブは、チップ間およびチップ内の光通信を利用することで、より高速な処理速度を持つマイクロチップの製造を可能にする可能性がある。[ 8 ]

チューブの形状と発光形状

ニューメキシコ大学のChangyi Liと彼の研究チームは最近、窒化ガリウムナノチューブの開口部の形状を変えることで、発光ダイオードとして動作しているときに放出される光の形状が変化することを示した。[ 9 ]研究チームは電子ビームリソグラフィーを使用して、窒化ガリウムナノチューブ内に明確に定義された環状の中空領域を作成し、最終的に環状の放出光を実現した。[ 9 ]

参考文献

ウィキメディア コモンズには、窒化ガリウムナノチューブに関連するメディアがあります。
  1. ^窒化ガリウムが新たな種類のナノチューブを生み出す. lbl.gov (2003-05-12). 2017年3月29日閲覧。
  2. ^ a b c Moradian, Rostam; et al. (2008年9月). 「天然および欠陥のある窒化ガリウムナノチューブの構造と電子特性」. Physics Letters A. 372 ( 46): 6935– 6939. Bibcode : 2008PhLA..372.6935M . doi : 10.1016/j.physleta.2008.09.044 .
  3. ^ a b c d e f Goldberger, J; He, R; Zhang, Y; Lee, S; Yan, H; Choi, HJ; Yang, P (2003). 「単結晶窒化ガリウムナノチューブ」. Nature . 422 (6932): 599– 602. Bibcode : 2003Natur.422..599G . doi : 10.1038/nature01551 . PMID 12686996 . 
  4. ^ a b Jeng, Yeau-Ren; et al. (2004年4月). 「分子動力学法による窒化ガリウムナノチューブの張力および疲労下における機械的特性の調査」.ナノテクノロジー. 15 (12): 1737– 1744. Bibcode : 2004Nanot..15.1737J . doi : 10.1088/0957-4484/15/12/006 .
  5. ^ a b Sun, Yangang (2009). 「将来的に重要な半導体ナノチューブ：合成、特性、および応用」 . Journal of Materials Chemistry . 19 (41): 7592– 7605. doi : 10.1039/b900521h . 2017年11月29日閲覧。
  6. ^ a b c Hu, Junging (2004). 「長方形断面を持つ単結晶立方晶GaNナノチューブの成長」. Advanced Materials . 16 (16): 1465– 1468. Bibcode : 2004AdM....16.1465H . doi : 10.1002/adma.200400016 .
  7. ^ a b Coulon, P. (2017). 「軸方向InGaN/GaNナノチューブマイクロキャビティの光学特性と共鳴空洞モード」 . Optics Express . 25 (23): 28246– 28257. Bibcode : 2017OExpr..2528246C . doi : 10.1364/OE.25.028246 . hdl : 1983/f42d0872-4c02-47f1-add2-e5c25eb1bbd3 . 2017年11月29日閲覧。
  8. ^ a b Hong, Young (2015年12月9日). 「非極性InxGa1-xN/GaNマルチシェルナノチューブヘテロ構造の発光色調整発光ダイオードマイクロアレイ」 . Scientific Reports . 5 18020. doi : 10.1038/srep18020 . PMC 4673456. PMID 26648564 .  
  9. ^ a b Li, Changyi (2015年7月13日). 「窒化ガリウムナノチューブレーザーからの環状発光」(PDF) . ACS Photonics . 8 (2): 1025– 1029. doi : 10.1021/acsphotonics.5b00039 .
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