本記事は、 The Conversationとの協力により掲載されています。
テレビ、コンピューター、スマートフォン、その他の電子機器はいずれも、回路内で電荷を運ぶことができなければ動作しません。
しかし、これらのデバイスの性能が向上し、個々の部品がどんどん小さくなってナノスケールに達するにつれて、電荷を必要な場所へ正確に導くことは次第に難しくなっています。
実際、ナノスケールでは、これらの部品の一部は非常に奇妙な振る舞いを示し、単一の原子でさえ電子の流れに影響を与えたり妨げたりするほどです。そのため、こうしたナノスケールでの動きをより深く理解し制御することは、機能を向上させるうえで極めて重要です。
縁の上で
トランジスタはマイクロチップの基本構成要素であり、コンピューターからスマートフォン、増幅器に至るまで、さまざまな機器に使われています。その機能は根本的に、金属、絶縁体、半導体材料の界面付近またはその上で電子がどのように流れるかに依存しています。
今日のトランジスタは幅10ナノメートルほどまで小型化でき、さらに小さくなり続けています。スマートフォンをポケットに入れているなら、その中には10億個以上のトランジスタが含まれている可能性が高いでしょう。
この小型化の傾向が続くにつれて、電子部品の性能は、材料の境界で電子に何が起こるかによってますます影響を受けるようになっています。サイズが小さくなるほど、電子が界面の近くにいる可能性が高まるためです。
これは、部屋に入ったとき、部屋が小さいほど壁のそばに立っている確率が高くなるのに似ています。
同様の現象は太陽電池にも影響を与えます。太陽電池は、電子供与性材料と電子受容性材料の境界で、正電荷と負電荷が数ナノメートル以内で分離されることにより発電します。
発光ダイオードは逆の働きをすることができます。これらの境界で正電荷と負電荷が再結合する際に、光を発生させることができます。
光合成を担う生体内の分子と類似した有機分子は、半導体特性を持ち、トランジスタ、太陽電池、発光ダイオードなどのデバイスに向けて非常に有望な材料です。
これらはコスト効率が高く、軽量で、柔軟性があり、用途も広いです。その電子特性は調整可能で、生産に必要なエネルギーはシリコンよりも少なくて済みます。
ナノアイランドの周囲で
私たちは 最近、 薄い絶縁体上の有機半導体分子から成る、大きさや形状の異なる二次元ナノクラスター（「ナノアイランド」）について、その各位置で電子特性がどのように変化するかを調査しました。
私たちは走査型トンネル顕微鏡を用い、有機ナノアイランドの原子スケールの構造と電子特性を明らかにしました。
これらの電流を測定することで、材料表面の画像を作成し、原子や電子の位置を把握することが可能になります。これらの測定は非常に高感度であったため、カナダのブリティッシュコロンビア大学において、振動が極めて少ない研究室で実施する必要がありました。
実験の結果、ナノアイランドの端にある分子の電子は、中央の分子とは劇的に異なる振る舞いを示すことがわかりました。重要なことに、これらの電子挙動の違いは、近傍の分子の位置や向きのわずかな違いに強く依存していました。
ナノアイランドの中央付近の特定の位置で電子を取り除くと、周囲の物質の電子が、電子の除去によって生じた正電荷に向かって移動することがわかりました。
同様に、電子を付加した場合、周囲の電子は付加によって生じた負電荷から遠ざかりました。この電子の集団的な運動によって周囲の環境が分極し、生じた電荷が安定化します。電荷は遮蔽（スクリーニング）されます。
一方、ナノアイランドの境界、つまり技術応用において電子の移動が重要となる箇所で電子が除去または付加された場合、生じる電荷は遮蔽される効率がはるかに低くなります。
混雑したパーティーで、誰かが部屋の中央から突然離れ、空いたスペースができる場面を想像してください。周囲で踊っている人々は、その人が部屋の端から離れた場合よりも、はるかに速くこの空間を徐々に埋めていきます。
これは完全に意外というわけではありません。しかし、意外なのはその効果の大きさです。私たちの研究結果は、これに関わるエネルギーが非常に大きいことを示しています。
ナノスケールでのチューニング
私たちの研究は、高効率なナノ電子デバイスの設計における課題を示唆しています。ナノスケールにおける部品の微細な構造的特徴が界面で深刻な電子的効果をもたらすだけでなく、部品が小型化するにつれて、こうした効果の影響もさらに重要になります。
したがって、最適な効率と機能性を備えた新技術を設計するためには、部品間の界面における原子や分子の配列を、極めて高い精度で制御することが不可欠です。
私たちの知見は、ナノデバイスの電子特性を、原子スケールの構造のわずかで精密な変化によって調整できる新たな工学的アプローチへの道を開くものです。
これは、 原子や分子を動かす ことで、材料表面上で制御された方法により実現できる可能性があります。もう一つの方法は超分子自己組織化を利用することです。これは、原子や分子が相互作用し、ナノスケールで望ましいパターンに自動的に配列する仕組みです。
こうして、私たちが発見した効果はナノ電子デバイスの将来にとって課題となる一方で、より速く、より効率的な通信、情報、電子技術を開発するための絶好の機会ももたらします。
掲載は、世界経済フォーラムによる見解の支持を意味するものではありません。
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執筆者：Agustin Schiffrinはモナシュ大学の物理学講師です。Katherine Cochraneはブリティッシュコロンビア大学の原子イメージング専攻の博士課程在籍者です。Sarah A. Burkeはブリティッシュコロンビア大学のナノサイエンス分野助教授です。
画像：カリフォルニア州サンディエゴにある電子機器メーカーVASの製造施設で、作業員が回路基板をはんだ付けしている様子。REUTERS/Mike Blake。
