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» 2017年09月11日 10時30分 公開

グラフェンを超える2次元材料:東北大、シリセンをフラットな構成単位に構築

東北大学の高橋まさえ准教授は、ジグザグ構造のケイ素2次元シート「シリセン」をフラットにできる構成単位の構築に成功した。

[馬本隆綱,EE Times Japan]

ポイントとなった置換基「BeH」の働き

 東北大学大学院農学研究科の高橋まさえ准教授は2017年9月、ジグザグ構造のケイ素2次元シート「シリセン」をフラットにできる構成単位の構築に成功したと発表した。グラフェンを超える物性の2次元材料を実現できる可能性が高まった。

 シリセンは、構成単位である六員環ヘキサシラベンゼンが椅子型をしている。このため、不安定なジグザグ構造をとる。これをフラットな構造にすることができれば、グラフェンのように安定したシートを実現することができるという。

 高橋氏は2005年に、電荷を注入することで六員環ケイ素クラスター(Si62-)がフラットになることや、このSi62-は六員環炭素クラスター(C6)と同じ二重芳香族性を持つこと、を見出した。この2年後に別の研究グループは、水素の代わりにリチウムを用いると、六員環ケイ素(Si6Li6)がフラットになることを発表した。しかし、ベンゼンとは異なる構造となり、環を2つつなぐとジグザグ鎖になることが分かった。

 高橋氏は今回、「環の末端に置換基をつける」「sp混成軌道を有する置換基を選ぶ」「末端につける置換基はできるだけ軽くする」という、3つの方針に基づいて密度汎関数理論計算を行い、シリセンをフラットにできる構成単位の構築に成功した。

ジグザグ構造のシリセンからフラットなシリセンを構築する概念図 出典:東北大学

 具体的には、sp混成軌道を有しつつ、電子供与基として機能するBeHを置換基に選んだ。単環のベンゼンや2環のナフタレン、3環のアントラセン、4環のピレンおよび、7環のコロネンと、5種の分子のケイ素等価体に置換基BeHをつけ、極めて高い計算レベルで構造を最適化した。こうして得られた構造は、エネルギーポテンシャル曲面上で極小点にあることを確認したという。

 5種の分子は全てフラットな構造となり、電荷分布や分子軌道は炭素で作られるベンゼン、ナフタレン、アントラセン、ピレン、コロネンと全く同じとなった。つまり、電荷は置換基がついている環の末端が負で、環の中心は中性、環に結合した原子は正である。最高被占軌道(HOMO)と最低空軌道(LUMO)は、全てパイ軌道となった。

椅子型ヘキサシラベンゼンとフラットなBeH置換ケイ素六員環 出典:東北大学
BeH置換したコロネンのケイ素等価体の電荷分布(赤色は負、黒色は中性、緑色は正) 出典:東北大学

 今回の研究成果により、シリセンの構成単位の構築において、BeHがグラフェンの構成単位における水素と同じ働きをすることが明らかとなった。フラットなシリセンを実現することができれば、シリコンテクノロジーを駆使して、グラフェンを超える物性を有する2次元材料を創出することが可能になるとみられている。

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