東京理科大ら、偏光レーザーでCNTを局所配向する光プロセスを開発

FrontJournalの解説

カーボンナノチューブ（CNT）と配向制御について

カーボンナノチューブ（CNT）は、炭素原子が筒状につながったナノスケールの材料で、直径は約1ナノメートル（10億分の1メートル）と非常に細いのが特徴です。電気を通す性質や、可視光より波長の長いテラヘルツ帯（1兆分の1秒周期の電磁波）を扱える性質を持ち、次世代の半導体デバイスやセンサーの材料として世界で研究が進んでいます。

ただし、CNTの特性をデバイスに活かすには、無数のチューブが同じ方向にきれいに揃った配向状態で並んでいることが重要です。ランダムに向いた膜のままでは、電気の流れやすさや光の吸収に方向のばらつきが出てしまい、性能を引き出しにくいという課題があります。今回の研究は、この配向を「後から」「狙った場所だけ」調整できるようにする手法にあたります。

①偏光レーザーによる非熱的な局所加工

研究グループは、偏光の向きを制御した超短パルスレーザー（フェムト秒レベルの極めて短い時間だけ光る特殊なレーザー）を、無配向のCNT膜に照射しました。CNTは光を吸収する強さがチューブの向きによって異なる性質を持つため、偏光レーザーを当てると、レーザーの偏光と揃わない向きのCNTだけが選択的に取り除かれ、残ったCNTが同じ方向に揃った局所領域が形成されます。

この加工方法は、熱ではなくレーザーアブレーション（光エネルギーで材料を非熱的に除去する現象）を利用しており、周囲を熱で傷めずにサブマイクロスケール（1マイクロメートル以下）の細かい領域だけを扱えるのが特徴です。これにより、2Dネマティック秩序パラメーター0.93、吸光度比24.7倍という従来最高水準の配向品質を局所領域で達成しています。

②テラヘルツセンサーや次世代半導体への応用

この光プロセスの意義は、同一チップ上に異なる方位のCNTを高密度に集積できる点にあります。従来の配向制御は膜全体を一方向に揃える手法が中心で、画素ごとに向きを変えるような細かい作り分けが難しいという課題がありました。局所配向CNTを画素として並べれば、偏光の向きを一度に画像として捉えるテラヘルツ偏光イメージセンサーを作れる可能性があります。テラヘルツ波は半導体検査や医薬品分析、次世代の6G通信、非破壊のセキュリティ検査などで活用が広がっており、偏光まで捉えられれば得られる情報量が増えます。

もう一つの応用先が、次世代の高速・低消費電力ロジックデバイスの作製プロセスです。CNTは電子の移動度が高くシリコンに代わる半導体材料の候補として研究されており、狙った場所に狙った向きで配向CNTを作り込めれば、トランジスタ回路の設計自由度を高められる可能性があります。

編集部からひとこと

今回の成果は基礎研究段階の技術実証であり、発表時点で具体的な製品化時期や量産プロセスへの言及はありません。「後から」「局所的に」CNTの向きを調整できるという特性は、無配向膜として作った後にレーザーで回路パターンのように書き込む使い方を想定できるもので、既存の半導体プロセスとの組み合わせに向けた基盤技術として位置づけられます。詳細な実験条件・数値データはJST公式ページおよびNature Communications掲載論文をご参照ください。