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東北大学は2月17日、最先端の超高分解能走査透過型電子顕微鏡と第一原理計算手法を駆使し、最も硬い物質として知られるダイヤモンドと、ダイヤモンドの次に硬い立方晶窒化ホウ素同士の接合界面の原子構造、結合メカニズムを、原子レベルで決定することに成功したと発表した。

同成果は、同大 原子分子材料科学高等研究機構(AIMR)の幾原雄一教授(東京大学 教授併任)、王中長准教授、陳春林助教らによるもの。物質・材料研究機構(NIMS)の谷口尚グループリーダー、ファインセラミックスセンター(JFCC)と共同で行われた。詳細は、英国科学誌「Nature Communications」のオンライン版に掲載された。

研究グループは、結晶中の格子欠陥である転位や粒界・界面を対象にして、その原子構造の解析や格子欠陥を制御した新機能材料の開発を試みてきた。そして今回、c-BN/ダイヤモンド境界面の原子レベルの構造解析とその物性の解析を試みた。

まず、密度汎関数法に基づく第一原理計算により、エネルギー的に安定なc-BN/ダイヤモンド境界面の原子構造を探索し、窒素-炭素(N-C)結合よりもホウ素-炭素(B-C)結合の方が、結合エネルギーの低い構造であることが示唆された。そして、c-BN/ダイヤモンド境界面を、ダイヤモンドの土台(母相)の上に、高温高圧下でc-BNの単結晶を成長させる(温度勾配法によるヘテロエピタキシャル成長)というNIMS独自の特殊な方法で作製した。さらに、この得られたサンプルの界面を超高分解能走査透過型電子顕微鏡法により観察を行ったところ、理論計算で予測された通り、ダイヤモンドの炭素原子とc-BNのホウ素原子が結合している様子が観察された。

また、金属の界面では通常転位同士が結びつき、複雑な転位網を形成するが、今回の研究では第一原理計算により六角形の転位ループが独立して存在した方がエネルギー的に安定であることが示唆された。そこで電子顕微鏡によりさらに詳しく観察した結果、六角形構造が観察され、理論的に予測された転位ループの分離が実験的にも示された。また、第一原理によるさらなる探索により、この境界面上にはc-BNやダイヤモンド単一では持ちえない1次元電気伝導性が発現しうることも明らかになったという。

今後、今回の研究を起点にし、このような欠陥構造の形成を制御することで、デバイス材料の特性向上や格子欠陥構造を活用した新規デバイスの設計、新機能材料の研究開発につながることが期待されるとコメントしている。

(日野雄太)