| 東北大学・岩佐教授のグループ、(株)ソニー・阿多グループ長のグループ、東京都立大学・片浦助手のグループ及び科学技術振興事業団で構成される研究グループは、ナノテクノロジーの基幹材料として注目されるカーボンナノチューブの内側に有機分子を挿入して、カーボンナノチューブの電気伝導性を制御することに世界で初めて成功した。 カーボンナノチューブは、炭素から形成される極微のチューブであり、その中に有機分子を収納するのにちょうどよいスペースを持っている。本研究グループは、その内部空間に様々な種類の有機分子を挿入することに成功し、その構造を（財）高輝度光科学研究センターが運営する大型放射光施設（SPring-8）を用いて解析した。その結果、挿入された内部の有機分子からカーボンナノチューブへ電子の移動が起こることにより、カーボンナノチューブ上の電気の流れを精度よく制御できることが明らかになった。今回の成果は、カーボンナノチューブの構造上の特徴を利用した新手法として、次世代エレクトロニクス素子の開発研究に弾みをつけることが期待される。 本研究は，科学技術振興事業団の戦略的創造研究推進事業の一環として行われた。 また、この成果は、英国科学雑誌Nature Materialsの10月号に掲載される（論文題目 "Stable and controlled amphoteric doping by encapsulation of organic molecules inside carbon nanotubes"「内包された有機分子による安定で制御性の高いカーボンナノチューブへのドープ法」 doi ：10.1038/nmat976）。 |
一般に物質中の電気の流れは、それを担うキャリヤ(用語2)の種類と数を変化させることによって制御することができる。例えば、シリコンなど無機半導体では、不純物元素のドープによって電流を運ぶキャリヤを導入するという手法がとられている。今回新しく発見されたカーボンナノチューブを流れるキャリヤを制御する方法は、ナノチューブの内部に有機分子を挿入し、複合体にするというものである。（図1）。このイメージは、大型放射光施設SPring-8 (*)でのＸ線回折データを解析することによって得られたものである。ナノチューブの内部には、比較的ナノチューブの内径に近い大きさを持った有機分子が挿入されやすく、いったん挿入されると非常に安定である。類似の構造を有する物質としては、フラーレン（用語3）をナノチューブの中に取り込んだピーポッドと呼ばれる物質が知られている。今回得られた有機分子を内包したナノチューブの最大の特徴は、内側に挿入された有機分子からナノチューブにキャリヤが供給されることである。その結果、挿入する分子の種類と数を変化させることによって、ナノチューブの電気的性質をｎ型にもｐ型にも変化させたり、電気伝導度を自由にコントロールできるようになる。
一般にｎ型のナノチューブは空気中で不安定であるが、この場合は、キャリヤの供給源がチューブに囲まれていて空気に直接触れることがないため、ｎ型の状態が空気中でも安定になる。しかも、内部の空間を利用する方法なので、チューブの外形はまったく変化せず、これまでに蓄積されたナノチューブに関する技術はすべてそのまま適用可能である。
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| 図1．有機分子を内包したカーボンナノチューブの構造模式図。 内部の分子から外側のチューブに電気を運ぶキャリヤが供給される。 |
今回の新技術のキーは、ナノチューブ特有の内部空間を積極的に活用して、あたらしい機能性をナノチューブに付与できることである。この手法を用いた様々な集積法によって、ナノチューブの機能性がさらに豊かになると考えられる。
(*)SPring-8での実験は文部科学省のナノテクノロジー総合支援プロジェクトの支援を受けて粉末結晶構造解析ビームラインBL02B2で実施された。
◯用語解説
用語１ ナノメートル
長さの単位で、1ナノメートルは1ミリメートルの100万分の1に相当する。
用語２ キャリヤ
固体の中で電流を運ぶ素粒子。一般にはマイナス電気を持つ電子がキャリヤであるが、半導体の場合、プラス電気を持つ粒子（正孔）が電気を運ぶように見える場合もある。前者の物質をｎ型、後者の物質をｐ型という。
用語３ フラーレン
1985年、R.E.Smalley, H.W.Kroto, R.F.Curlらによって、炭素原子が60個集まってできたサッカーボールの形をした分子（C60）が発見され、フラーレンと名付けられた。
その後、この分子のユニークな形から多くの研究が行われ、C70をはじめとする炭素原子の数の異なる様々なフラーレン分子や、金属を内包するフラーレンが創り出されている。
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