カーボンナノチューブナノエレクトロニクス
平成19年度～平成23年度
水谷 孝（名古屋大学・大学院工学研究科・教授）
カーボンナノチューブ（CNT）は、1nmという分子レベルの直径を“ビルト・イン”で有する円筒状ナノカーボン物質である。その一次元性から、無散乱電子輸送、高い電子放出特性、大きな比表面積、大きな電子―正孔結合エネルギー等さまざまな特長を有し、また材料の持つ柔軟性と相まって多くの期待が寄せられ、本特定領域申請当時、これらの特長に基づいたCNTデバイスの基本特性も示されつつあった。しかしながら、CNTの成長機構の理解とそれに基づく特性のそろった高品質CNTの成長は十分とは言えなかった。また、その一次元性がゆえに影響が大きくなる外部環境の効果、あるいは欠陥がCNTの電気特性・光学特性に及ぼす影響等に関して不明な点も多く、CNTのポテンシャルを十分に発揮させるには至っていなかった。
そこで本領域では、「CNTのデバイス、成長、評価、理論の研究を進めている主要研究者を結集し、各分野の専門家が連携してこれらの課題を解決し、CNTナノエレクトロニクスにおいて世界をリードする先進的研究を推進すること」を設定目的とした。その成果は、日本発の材料であるCNTに関する材料科学、物性物理、およびデバイス物理に関して理解を深めると同時に、CNTのナノエレクトロニクスへの発展の基盤技術を確立するものである。
カーボンナノチューブ（CNT）のデバイス応用に関しては、CNT薄膜トランジスタにおいて、ナノカーボンの中で世界最大規模（108素子）、最高の動作速度（0.51μs/ゲート）の薄膜トランジスタ集積回路を実現し、CNT薄膜トランジスタのディスプレイ等への応用展開の可能性を示した。さらに現存のSi大規模集積回路とは相補的な役割を果たす小規模の機能集積デバイスとして、優れた特性を有するCNTバイオセンサを実現するとともに、新概念コンピュータである量子計算機の要素技術となり得るCNT量子ナノデバイスの基本動作の実証に成功した。
一方、これらデバイスを支える基盤技術として、CNT成長に関しては、従来からの重大な課題であった単一種類のCNTの選別成長や分離技術が大幅に進展し、世界に対して、本分野における先導性を示した。CNTの物理的性質の解明に関しては、室温・固体中では世界で初めて電荷を有する励起子（電子と正孔の複合粒子）の観測に成功した他、CNT内でのナノカプセルの熱エネルギーによる振動の初めての観測など、新しい研究領域の開拓につながる優れた成果を挙げた。
さらにこれらの実験研究を支える理論研究においては、第一原理電子構造計算によりCNTの全エネルギー等の種々の物理定数を系統的に明らかにするとともに、CNT選別成長に対して重要な指針を与えた。さらにCNTの光デバイス応用にとって重要となる光スペクトルについては、世界に先駆けて電子間相互作用と励起子効果の重要性を理論的に示し、その後のCNTの光学的性質の研究の隆盛へと導くなど、CNT物性解明の理論からのアプローチにおいて世界の指導的役割を果たした。
A （研究領域の設定目的に照らして、期待どおりの成果があった）
成長（合成）、物性測定、デバイス、理論の研究が順調に展開し、さらに、連携研究も多数行われ、CNTの基礎的な理論からデバイス応用までの広い範囲で、多くの優れた成果が得られた。特に、CNTの電気的特性解明、カイラリティ制御、半導体CNTと金属CNTの分別、薄膜トランジスタやバイオセンサーのデバイス応用の原理実証などの注目すべき成果があがり、CNTエレクトロニクスの実現に向けて成功裏に終わったと高く評価できる。
「研究の発展段階の発展の観点からみて成長期にあり、研究の一層の発展が期待される研究領域」としては、CNTデバイス、製法、評価、理論構築について、有力な研究チームを構成し、当該分野ではトップレベルの研究成果を上げ、技術的・学問的な枠組み作りに大きく寄与した。 また、「その領域の研究の発展が他の研究領域の発展に大きな波及をもたらす等、学術研究における先導的又は基盤的意義を有する研究領域」として、本特定領域研究を通じて、CNTの基礎的な理解が進むとともに、本質的な問題であったカイラリティ制御についても、その製造方法の基盤を確立した。また、本領域開始後、急速に立ち上がったグラフェンについて比較研究を行うなど、関連研究分野への一定の波及効果を及ぼしたと考えられる。さらに、「社会的諸課題の解決に密接な関連を有しており、これらの解決を図るため社会的要請の高い研究領域」としては、CNTはポストCMOS世代を支える新材料として注目されてきたが、CNTを用いた世界最大規模の薄膜トランジスタ集積回路や高感度バイオセンサーを実現するなど、社会的要請の高い分野へのCNTの応用展開の可能性を示すことができた。
「研究の発展段階の発展の観点からみて成長期にあり、研究の一層の発展が期待される研究領域」としては、CNT量子ドット中の励起子のコヒーレント操作の基本原理実証に初めて成功し、CNTの新しい展開として、励起子量子ビットへの発展の可能性を示した。さらに、これらの研究が基盤になり、グラフェンの研究にも寄与した。「その領域の研究の発展が他の研究領域の発展に大きな波及をもたらす等、学術研究における先導的又は基盤的意義を有する研究領域」としては、単一の（6,5）カイラリティをもつCNTの合成に世界に先駆けて成功し、さらに、このカイラリティがエネルギー的に安定であることを理論計算で示した。また、第一原理計算により、CNTの光吸収スペクトルで見られる2光子吸収、環境誘電体効果等について、統一的な計算手法を用いて全体像を明らかにするなど、世界に対し先導性を示した。さらに、「社会的諸課題の解決に密接な関連を有しており、これらの解決を図るため、社会的要請の高い研究領域」としては、これまでで最も高い集積規模（108素子）の薄膜トランジスタ集積回路を形成し、最高の動作速度（0.51μs /ゲート）を実現したこと、高感度バイオセンサーを実現したことなど、顕著な成果を上げたと評価できる。
計画研究は、電子デバイス、バイオ素子から物理化学、固体物性、物性理論にわたる幅広い分野から相応しい研究者を厳選した組織である。また、計画研究のみではカバーできない分野を補完するために、公募研究も設定された。CNTの成長（合成）、物性評価、デバイス開発の実験グループと、理論グループが多方面からCNTにアプローチすることで、多くの連携研究が推進された。その結果、研究グループ間で、53編の共著論文に結び付いた。
ネットワークアナライザなど、高額な設備も目的に合わせて有効に利用されており、特に問題点はなかった。
カーボン分野全体への波及効果が見込まれる成果を上げた。例えば、単一のカイラリティをもつCNTを選択的に成長する条件を見出したこと、半導体CNTと金属CNTの分離を99%以上の精度で実現したこと、ナノカーボンの中で世界最大の集積規模をもつCNT薄膜トランジスタ集積回路を実現したことは、エレクトロニクスへの応用の点で極めて重要な成果である。理論面においては、ナノチューブの幾何構造パラメータの詳細、バンド構造、全エネルギーを世界で初めて系統的に解明するなど、各種ナノチューブを使ったデバイス設計の際、データベースとなる重要な成果が得られたと評価できる
本研究の研究期間内に若手研究者（学生、ポスドク、助教、准教授）の受賞は26件あり、若手研究者の活躍が目立つ。また、博士後期課程学生の教育に関しては、これまでに34名が博士号を取得し、37名が取得見込みであるなど、多くの若手研究者の育成に貢献したと評価できる。
研究振興局学術研究助成課
-- 登録：平成24年12月 --