史上初、光起動式半導体ナノ複合材料が開発される!

ウースター工科大学(WPI)の研究チームが、微小アクチュエーター、手術用ロボットの把持部や光通信システム用の光駆動型マイクロミラー、もっと高効率の太陽電池と光センサー等を含む、さまざまな用途に利用できる革命的な光起動式半導体ナノ複合材料を開発しました。研究論文は、ネイチャー誌の出版社が提供しているオープンアクセスジャーナルである、Scientific Reportsに掲載されました。

WPIの機械工学准教授で研究論文の筆頭著者のBalaji Panchapakesanは、”これは科学の新分野です”と言っています。”光子をそのまま機械的な動きに変換できる物質はほとんど存在しません。この研究論文で、我々は、そうするとされている最初の半導体ナノ複合材料を紹介しています。それは、機械的応力を受けた時の高強度と高い光吸収が特徴でもある、大変魅力的な物質であると言えます。”

二硫化モリブデン

Scientists develop a semiconductor nanocomposite material that moves in response to light

“Tiny grippers and actuators made with this material could be used on Mars rovers to capture fine dust particles.” Panchapakesan noted. “They could travel through the bloodstream on tiny robots to capture cancer cells or take minute tissue samples. The material could be used to make micro-actuators for rotating mirrors in optical telecommunications systems; they would operate strictly with light, and would require no other power source.”

「”この材料で作られた極めて小さなグリッパとアクチュエーターは、細塵粒子を採集する目的でマーズ・ローバー(火星探査車)に利用できるかもしれません。”と筆頭著者は語った。”それらは、癌細胞を捕捉、あるいは、微小な組織サンプルを採取する目的で、ロボットに取り付けて血流に乗って移動できるかもしれません。その材料は、光通信システム内の回転鏡用マイクロアクチュエーターを作るのに使える可能性があります。それらは完全に光で作動しているので、ほかの動力源は必要としません。”」

Like other semiconductor materials, molybdenum disulfide, the material described in the Scientific Reports paper (“Chromatic Mechanical Response in 2-D Layered Transition Metal Dichalcogenide (TMDs)-based Nanocomposites”), is characterized by the way electrons are arranged and move about within its atoms.

「他の半導体材料のように、二硫化モリブデン、Scientific Reportsの論文(2次元積層遷移金属ジカルコゲナイド(TMD)ベースのナノコンポジットにおける彩色機械応答)の中で記述されているその物質は、電子が配列されている様式と原子内をあちこち動き回っている状態によって特徴づけられています。」

Chromatic Mechanical Response (色の機械的反応)は、chromatic response (彩色反応、色応答)、mechanical response (機械的反応、機械反応、機械応答)を継ぎ合わせて訳せばそれなりの訳になりますが、無難な訳は、クロマチック機械応答です。

2次元単原子層材料のTMD、h-BN、グラフェン、ボロフェン、フォスフォレン等に、現在非常に熱い視線が注がれています。

半導体の仕組み

In particular, electrons in semiconductors are able to move from a group of outer orbitals called the valence band to another group of orbitals known as the conduction band only when adequately excited by an energy source, like an electromagnetic field or the photons in a beam of light. Crossing the “band gap,” the electrons create a flow of electricity, which is the principal that makes computer chips and solar cells possible.

「特に、半導体中の電子は、電磁場か光線中の光子のようなエネルギー源によって適度に励起された時だけ、価電子帯と呼ばれる外部軌道グループから、伝導帯として知られている別の軌道集団へ移動可能です。バンドギャップ(禁制帯)を渡る時、電子は、コンピューターチップやソーラーセル(太陽電池)を可能にしている原理である、電気の流れを作り出します。」

When the negatively-charged electrons move between orbitals, they leave behind positively charged voids known as holes. A pair of a bound electron and an electron hole is called an exciton.

「負に帯電した電子が軌道間を移動する時、ホール(正孔)として知られている正に帯電した孔を残します。束縛電子と正孔のペア(対)は、エキシトン(励起子)と呼ばれています。」

励起子共鳴

In their experiments, Panchapakesan and his team, which included graduate students Vahid Rahneshin and Farhad Khosravi, as well as colleagues at the University of Louisville and the University of Warsaw Pasteura, observed that the atomic orbitals of the molybdenum and sulfur atoms in molybdenum disulfide are arranged in a unique way that permits excitons within the conduction band to interact with what are known as the p-orbitals of the sulfur atoms.

「彼等の実験において、筆頭著者とルイビル大学とワルシャワ大学の同僚等から成る彼のチームは、二硫化モリブデン中のモリブデンと硫黄原子の原子軌道が、エキシトンが伝導帯内で硫黄原子のp軌道として知られているものと相互に作用することを可能にする独特な方法で配列されています。」

This “exciton resonance” contributes to the strong sigma bonds that give the two dimensional array of atoms in molybdenum sulfide its extraordinary strength. The strength of this resonance is also responsible for a unique effect that can generate heat within the material. It is the heat that gives rise to the material’s chromatic (light-induced) mechanical response.

「この励起子共鳴は、硫化モリブデン中の2次元原子配列に桁外れの強度を与えている、強力なシグマ結合をもたらしています。この共鳴の強さは、その物質内部で熱を発生できる独特な効果にも関係しています。その熱が、物質の色彩(光誘発性)機械応答を生じさせています。」

To take advantage of the later phenomenon, Panchapakesan’s team created thin films made up of just one to three layers of molybdenum disulfide encased in layers of a rubber-like polymer. They exposed these nanocomposites to various wavelengths of light and found that the heat generated as a result of the exciton resonance caused the polymer to expand and contract, depending on the wavelength of the light used.

「後者の現象を利用するために、チームは、積層ゴム状ポリマー中で強化された、たった一層から三層の二硫化モリブデンで構成されている薄膜を作りました。彼等は、これらのナノ複合体を色々な光の波長にさらし、励起子共鳴の結果として生じた熱が、使用した光の波長に応じて、ポリマーを伸び縮みさせることを発見しました。」

ポリマーと二硫化モリブデンの組み合わせが今回の画期的な光作動式のナノ複合材料を可能にしているみたいです。まさに目の付けどころがってやつです。

光機械的応答

In previous work, Panchapakesan’s team harnessed this photo-mechanical response by fabricating tiny grippers that open and close in response to light pulses. The grippers can capture plastic beads the size of a single human cell.

「過去の研究では、チームは、光パルスに応じて開閉する微小グリッパを作ることで、この光機械的応答を利用しました。そのグリッパーは、1個のヒト細胞サイズの樹脂ビーズを掴むことができます。」

photo-mechanical response = フォトメカニカル応答、光機械応答

細胞サイズのビーズをつかめれば、確かに癌細胞も採取できます。

In further testing, Panchapakesan and his team discovered another unique behavior of the molybdenum disulfide composite that opens the door to a different set of applications. Employing what is known as strain engineering, they stretched the material and discovered that mechanical stresses increased its ability to absorb light.

「追加検査で、チームは、異なる用途を可能にする二硫化モリブデン複合材料の別の独特な振る舞いを発見しました。歪工学として知られているものを用いて、彼等は、その材料を引き伸ばして、機械的ストレスが光を吸収する能力を高めることを発見しました。」

strain engineering = ひずみ工学

“This is something that cannot be done with conventional thin-film semiconductors,” Panchapakesan said, “because when you stretch them, they will prematurely break. But with its unique material strength, molybdenum disulfide can be stretched. And its increased optical absorption under strain makes it a good candidate for more efficient solar cells, photodetectors, and detectors for thermal and infrared cameras.

「”これは従来の薄膜半導体では成し得ないすごいことです。”と筆頭著者は言った。”それらを伸ばすとすぐに壊れるためです。しかし、それのユニークな材料強度が、二硫化モリブデンを引き伸ばし可能にしています。また、負荷をかけると光吸収を増すことが、それをもっと高効率の太陽電池、光検知器、サーマルカメラ(熱感知カメラ)と赤外線カメラのための望ましい候補にしています。”」

“The exciton resonance, photomechanical response, and increased optical absorption under strain make this an extraordinary material and an intriguing subject for further investigation,”

「”エキシトン共鳴、光機械的応答、負荷下の光吸収増加が、これを比類無き材料にし、さらなる調査のための魅力的な研究題材にしています。”」

光で動く半導体ナノロボットの用途は広そうです。ナノロボット軍隊が細菌、ウイルス、癌細胞と戦う日がやってくるのかもしれません。