グラフェンとレーザー-材料科学の新しい革命

はじめに：グラフェンは、これまでに製造された中で最も軽い材料です。その強度は鋼の100倍です。銅の導電性と柔軟性よりも優れており、ほとんど透明です。

多くの場合、テープは科学的に画期的な進歩とは見なされていません。しかし、マンチェスター大学の物理学者アンドレ・ガイムとコンスタンチン・ノボセロフ（2人は2010年にノーベル物理学賞を受賞）と「サイエンス・ザ・マガジン」の同僚が研究結果を発表したとき、スコッチテープを使用して1枚の原子シートを剥がしましたグラフェンの一部からの炭素原子、材料科学革命への前奏曲をゆっくりと開いた研究。

上記のマンチェスター研究チームが研究成果を発表してから11年間で、関連分野の研究成果は飛躍的に伸びました。昨年、世界の研究者はグラフェンに関する15,000を超える研究結果を発表しました。この現象は非常に合理的です。グラフェンはこれまでに製造された中で最も軽い材料であり、その強度は鋼の100倍であり、その導電率と柔軟性は銅よりも優れており、ほぼ透明です。研究者たちは、次世代のコンピューターチップやフレキシブルディスプレイからバッテリーや燃料電池に至るまで、将来のすべてのグラフェンベースの製品を想定していました。

しかし、グラフェンは、それ自体が理想的な材料ではなく、それから派生した製品として、将来的に大きな影響を与える可能性があります。グラフェンには多くの見事な利点がありますが、欠点もあります。特に、マイクロエレクトロニクスの要である半導体として機能できないことです。現在、化学者と材料科学者は、グラフェンを横断して他の材料を探すために一生懸命取り組んでいます。彼らは、柔軟性と透明性をグラフェンにはない電子特性と組み合わせた他の2つの二次元シート材料を合成しており、それらのいくつかを軽量で柔軟性のある高速電子および光学デバイスに変えました。彼らは、これらの材料が将来の産業のバックボーンとして役立つことを望んでいます。

グラフェン、2D材料の新たな地平を開く

ある意味で、2Dマテリアルは完全に新しいテクノロジーではありません。研究者たちは、1960年代から、分子線エピタキシー（MBE）装置を使用して原子型薄膜材料を開発してきました。しかし、MBEマシンは、シリコンやガリウムヒ素などの材料を保管するためによく使用されます。これらの結晶材料の原子構造は、3次元構造を形成する傾向があります。この観点から、MBEマシンによって作成された原子層は、チーズのようなものであり、3次元の材料の2次元バージョンです。

グラフェンは異なり、本の中の紙のようなものだと、台湾の新竹にある国立清華大学の材料科学教授であるYi-HsienLee氏は述べています。科学者が驚いたことに、グラフェンを至近距離で研究したところ、バルクグラフェンには導電性および光学的特徴がないことがわかりました。 「最大の教訓は、グラフェンはそれほど変わらないということです」と、中国の上海にある復旦大学の物性物理学者である張元保氏は述べています。しかし、研究者たちは「グラフェンは二次元の材料にスポットライトを当てる」と述べた。

ハイテク機器について話すとき、グラフェンのオーラはかすかになりました。電子時代に価値があると信じられている材料のほとんどは半導体であり、グラフェンは金属導体のようなものです。 「グラフェンは確かに非常に貴重な材料です」とミシガン州立大学の物性物理学者であるDavidTomanekは言います。 「しかし、それはエレクトロニクス業界とは相容れません。」

しかし、グラフェンは科学者の目を開き、平面エレクトロニクスの新しい世界に集中できるようにします。彼らは、グラフェンに似ているが、新しいオプトエレクトロニクス特性を備えた材料を見ました。彼らは、シリコンの単層（シリコン）、ゲルマニウムの単層（デセン）、およびスズの単層（スズ）を設計しました。彼らは窒化を作成しました。グラフェンのような檻のような格子構造を持つホウ素製の絶縁体。それらは、特定の化学反応を制御するために使用できる高効率の触媒単層金属酸化物を作ります。使用法はまだ不明ですが、水分子を2次元シートで囲んでいます。

しかし今のところ、平面材料に関するほとんどの研究は2つの材料に焦点を合わせています。1つは二硫化モリブデン（MoS2）と呼ばれる化合物と呼ばれます。もう1つは、2次元の黒リン単結晶（または黒）リン）リン原子の単層です。どちらの材料も魅力的な電子特性を持っており、研究者間の競争は非常に激しいです。

二硫化モリブデン、光学機器推奨材料

2つの材料の中で、二硫化モリブデンの研究が最初に開始されました。二硫化モリブデンは2008年に合成され、遷移金属二硫化物材料（TMD）の大きなファミリーのメンバーです。この一見「派手な」名前は、それらの構造を表しています。遷移金属原子（つまり、モリブデン原子）と、硫黄とセレンを含む周期表の16列目の原子のペアです。家族の要素は有名です）。

エレクトロニクスメーカーの驚いたことに、すべてのTMDは半導体です。それらはグラフェンの薄さ（二硫化モリブデンでは、硫黄原子の2つの層が「サンドイッチ」のようにモリブデン原子の層を挟む）とほぼ同じですが、他の利点もあります。二硫化モリブデンに関する利点の1つは、電子が平面フレーク内を移動する速度、つまり電子移動度です。二硫化モリブデンの電子移動度は約100cm2 / vs（つまり、1平方センチメートル/ボルト秒あたり100電子）であり、結晶シリコンの電子移動度1400 cm 2 / vsよりもはるかに低いが、アモルファスシリコンよりは小さい。およびその他の超薄型半導体。移行率はより良く、科学者はフレキシブルディスプレイや他のフレキシブル電子製品などの将来の電子製品のためにこれらの材料を調査しています。

研究によると、二硫化モリブデンは、大きな二次元材料を作る場合でも、非常に簡単に作ることができます。これにより、エンジニアは非常に高速で電子機器の性能をテストできます。たとえば、2011年に、スイス連邦工科大学のAndrasKisが率いる研究チームは、Nature-Nanotechnologyに記事を発表し、厚さがわずか0.65nmの二硫化モリブデンの単層で最初のトランジスタを作成したと述べました。これらの製品とそれに続く製品は、より技術的に進んだシリコンベースの製品とは異なる独自の特性を持っていることがわかりました。

さらに、二硫化モリブデンには、他の望ましい特性である直接バンドギャップがあります。これにより、材料は電子を光子に、またはその逆に変換できます。この機能により、二硫化モリブデンは、発光体、レーザー、光検出器、さらには太陽電池などの光学デバイスでの使用にも適しています。一部の科学者は、この材料は埋蔵量が豊富で、価格が低く、毒性がないと述べているため、Yi-HsienLeeは「未来は明るい」と信じています。

しかし、トマネク氏は、二硫化モリブデンの電子移動速度は、混雑した電子機器市場で競争力を持たせるにはまだ十分ではないと考えています。この理由は、この材料の構造的特徴です。電子が内部を移動すると、大きな金属原子に遭遇すると構造内で爆発し、移動速度が低下します。

しかし、一部の科学者は、このつまずきのブロックは一時的なものになると言います。研究者たちは、圧縮された電子が障害物を迂回するための経路を提供する二硫化モリブデンシートのわずかに厚い層を作ることによって、これらの障害を回避しようとしています。 「その時点で、二硫化モリブデンの移行問題は解決されるだろう」とYi-HsienLee氏は述べた。

電子機器材料の新しいお気に入りである黒リン

二次元の黒リン単結晶（黒リンとしても知られている）である二硫化モリブデンの競争相手は、科学者をより興奮させているようです。二次元の黒リン単結晶は、純粋なリンによって形成できる3つの異なる結晶構造（または同素体）の1つです。他の2つの材料は、花火を作るために使用される白リンとマッチヘッドを作るために使用される赤リンです。

二次元の黒リン単結晶は、昨年合成された2つの平面上にある波状のリン原子で構成されています。しかし、その特性により、600cm2 / vsの電子移動速度で、材料科学の最愛の人となっています。一部の研究者は、この率をさらに上げることを望んでいます。同時に、そのバンド間ギャップ（物質に電流を流すために必要な電気電圧）調整可能です。つまり、電子技術者は、2次元の黒リン単結晶のスタックを変更するだけでバンドギャップを調整できます。これは、特定の要件に従って目的のバンドギャップを設計するのに有利です。 「これらすべての特性により、2次元の黒リン単結晶が超材料になります」とTomanek氏は述べています。

研究者たちは、二次元の黒リン単結晶の商品化を非常に速いペースで進めています。昨年3月2日、復旦大学のZhang Yuanboらは、コンピューター論理回路の製品である2次元の黒リン単結晶をベースにした結晶三極真空管を製造したとNature-Nanotechnologyにオンラインで報告しました。 「心」の役割を果たします。 2週間後、Tomanekらは、Journal of the American Chemical SocietyのNanoに、2次元の黒リン単結晶トランジスタの使用に関するレポートも公開しました。

しかし、残念ながら、二次元の黒リン単結晶は空気中で不安定です。 「24時間後、材料の表面に気泡が見られ、数日以内にデバイス全体が故障します」と、テキサス大学の2次元黒リン単結晶の専門家であるJoon-SeokKim氏は述べています。オースティン。専門家によると、原因は水蒸気であり、リンと反応してリンをリン酸に変換し、腐食を引き起こします。それでも、キムの研究チームと他の研究者はまだこの問題を解決しようとしています。たとえば、キム氏は3月の米国物理学会の報告書で、彼と彼の同僚は、コンパートメント内のアルミナとテフロンにカプセル化することで、2次元の黒リン単結晶に基づくトランジスタを3か月間保持できると述べました。

ただし、Yi-HsienLeeは、この方法が材料の長期安定性を保証するものではないと考えています。 「製品に保護層を追加することはできますが、これは老化の速度を遅くするだけです。」二次元の黒リン単結晶が一部の研究者に支持されている理由は、この材料が使いやすいためであると彼は主張します。グラフェンのように、透明なテープで黒リンフレークを簡単に剥がすことができます。 「これは同じ方法です」とYi-HsienLeeは言います。 「しかし、これは二次元の黒リン単結晶の見通しが良いという意味ではありません。」

結局、どちらの材料にも開発の余地がたくさんあるかもしれません。 「私たちはまだ始まったばかりです」とフロリダ州立大学の物理学者ルイス・バリカスは言いました。彼は、時間の経過とともに、エンジニアは二硫化モリブデンと光の強い相互作用を利用して、太陽電池、発光体、その他の光学デバイスを製造すると述べました。同時に、二次元黒リン単結晶の高い電子移動度を高め、電子機器の製造に利用します。

グラフェンとレーザー

1.新しいグラフェン光検出器

スペインとアメリカの科学者が協力して、50フェムト秒（10億分の1秒）未満で光を電気信号に変換するグラフェンベースの光検出器コンバーターを開発しました。光電変換速度の限界に近づき、多くの分野の発展を大いに促進します。

光によって運ばれる情報を電子回路で処理できる電気信号に変換できる効率的な光電変換技術は、カメラから太陽電池までの多くの主要な技術分野で重要な役割を果たし、重要なデータ通信アプリケーションのサポートでもあります。グラフェンは非常に高い光電変換効率を持つ材料ですが、科学者はそれが超短光パルスにどれだけ速く反応するかを知りませんでした。

現在、スペインフォトニクス研究所の研究者であるフランクコポンズ教授、カタロニア高等研究所のニルケヴァンハースト、マサチューセッツ工科大学ヒーロー校のパブロガリオロ、そして教授である劉ジンニングが率いる研究チームカリフォルニア大学リバーサイド校の物理学部は、50フェムト秒未満で光を放ち、電気に変換できるグラフェンベースの光検出器コンバーターを開発し、光変換速度を限界まで押し上げました。最新の研究は、最近発行されたジャーナルNatureNanotechnologyに掲載されました。

これを行うために、研究者たちは超高速パルスレーザー励起と超高感度電子読み出し法を使用しました。 Kras-Jan Tell研究員は、次のように述べています。「この実験の独自性は、単一分子の超高速フォトニクスから得られる超高速パルス形成技術が、グラフェン電子技術と完全に組み合わされていることです。さらに、グラフェンの非線形光熱電気反応により、科学者は変換できます。このような短期間で電気信号に光を当てます。」

研究者は、グラフェンのすべての伝導帯キャリア間の超高速かつ超効率的な相関関係により、グラフェンに光起電力を迅速に生成することが可能であると述べています。この相関関係により、電子温度の上昇を利用して電子分布をすばやく作成できます。その結果、光から吸収されたエネルギーを効率的かつ迅速に電子の熱に変換することができます。続いて、2つの異なるドーピングによる2つのグラフェン領域の接合部で、電子の熱が電圧に変換されます。実験結果は、このフォトサーモグラフィー効果がほぼ同時に発生し、吸収された光を迅速に電気信号に変換できることを示しています。

研究者たちは、最新の研究が超高速光電変換への新しい道を開くと言います。コップス氏は次のように強調しました。「グラフェン光検出器は驚くべき性能を備えており、多くの分野で使用できます。」

2.グラフェン材料は、新しいブロードバンドレーザーを生み出すことが期待されています

ドイツのヘルムホルツにあるヘルシンドルフ研究センター（HZDR）が率いる国際研究チームは、強磁場の作用下でグラフェンの電子のダイナミクスにおける新しいブロードバンドレーザーの開発を促進することが期待されています。

研究者らは、グラフェンを4テスラの磁場に置き、磁場の作用下で、材料内の電子にランダウ準位と呼ばれる特定のエネルギー準位を形成させました。次に、研究者たちはこれらのエネルギーレベルを自由電子レーザーで研究しました。マーティン・ミッテンドルフ博士は次のように述べています。「レーザーパルスは電子を励起し、特定のランダウ準位に遷移させます。次に、システムがどのように機能するかを検出するために時間遅延パルスを使用します。」研究者たちは、レーザーがいくつかの新しい電子をシステムに送り込んだことを発見しました。ランダウ準位、そしてこれらのランダウ準位は予想外の方法で徐々にくり抜かれました。彼らはこれが電子間の衝突によって引き起こされると考えています。

Stephan Winnerl博士は、このプロセスを説明するために類推しました。「図書館員が3階建ての棚に本を片付け、一度に1冊ずつ本を置き、中央の棚の本棚の下の棚に本を置いたと想像してみてください。 。彼女の息子も彼女を手伝い、毎回中央の棚から2冊の本を取りました。1冊は上の棚に、もう1冊は下の棚にあります。彼女の息子は、中央の仕切りが母親が本を埋めたい棚であっても、中央の棚に置かれる本の数が減ることを強く望んでいます。」 Winnerl氏は、研究者たちは、オージェ散乱として知られる効果が強すぎたり、エネルギー準位の電子機器に散逸したりすることを望んでいないと述べた。

磁場中のグラフェンの配置は多くの効果を明らかにし、電子はこのシステムの動力学でこれまで研究されていませんでした。研究者たちは、彼らが発見した現象がレーザーを実現する可能性を秘めていると信じており、結果として得られるレーザー波長は、赤外線とテラヘルツの範囲で任意に調整できると考えています。

ウィナール氏は、「長い間、このランダウ準位レーザーは達成不可能と考えられていた。しかし今、グラフェンによって、半導体物理学者の夢が実現する可能性が高い」と語った。

3.フェムト秒ファイバーレーザーのコア材料としてグラフェンまたはSESAMに代わるもの

フェムト秒ファイバーレーザーは、レーザーイメージング、ホログラフィック分光法、超高速フォトニクス、レーザー加工、レーザー医療（眼科手術など）、レーザーレーダーなど、幅広いアプリケーションで使用されています。従来のフェムト秒ファイバーレーザーコアデバイスである半導体飽和吸収ミラー（SESAM）は、半導体成長プロセスによって製造されますが、これはコストがかかり、技術を独占しています。

フェムト秒ファイバーレーザーの分野では、グラフェンがSESAMに代わる最良の材料であると考えられています。 2010年のノーベル物理学賞の受賞者は、グラフェンフェムト秒ファイバーレーザーが2018年頃に工業化されると予測しました。実際の工業化を達成するには、高品質のグラフェン調製、大規模なグラフェン調製などの一連の主要技術を解決する必要があります。スケールの低コストのグラフェン転送、グラフェンとライトフィールドの相互作用、グラフェン飽和吸収体パッケージング、およびレーザー出力安定性制御。長年の継続的な研究の結果、台州純奈新エネルギー株式会社はこれらの重要な技術を克服し、グラフェンフェムト秒ファイバーレーザーの商品化を初めて実現しました。主要業績評価指標は同様の製品よりも高く、高いコストパフォーマンスと強力なパフォーマンス市場競争力を備えています。

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