らと共同で、希少元素[用語1]を含まず、赤色発光デバイスや太陽電池への応用が期待できる新しい窒化物半導体を発見した。最先端の第一原理計算[用語2]を用いたスクリーニングによる効率的な物質選定と高圧合成実験[用語3]の連携により、見いだした。この成果は窒化物半導体の応用の可能性を広げるだけでなく、先進計算科学に基づいたマテリアルズ・インフォマティクス[用語4]により物質探索を加速できることを実証したものであり、本アプローチは今後の材料開発において有力な手法になると期待される。Communications)」に掲載された。研究の背景わが国の「元素戦略プロジェクト」[用語5]が標榜するように、地球上に豊富に存在する元素により構成され、卓越した機能はもちろん、安価で高い環境調和性をもつ新物質・新材料の開拓が急務である。物質・材料探索では、元素の種類と組成の無限の組み合わせの中で可能な限り広く探索し、そこから有望な候補を的確に絞り込むための指針と手法が要となる。近年の計算科学の進展とスーパーコンピュータの演算能力の向上により、物質の安定性や特性を高精度かつ網羅的に理論予測できるようになってきた。このような先進計算科学、さらにはデータ科学や合成・評価実験に基づいたスクリーニングにより物質・材料開発の加速を目指した「マテリアルズ・インフォマティクス」が世界各国で盛んになっている。数ある物質の中でも、窒化物は半導体としての応用に適した電子・光学物性だけでなく、地球上に豊富に存在する窒素の化合物というメリットをもつ。現在実用化されている窒化物半導体は、緑色や青色、紫外線の発光ダイオードに用いられる窒化ガリウムと、窒化インジウムまたは窒化アルミニウムとの固溶体にほぼ限定されている。既存の赤色や黄色の発光ダイオードには、高コスト、希少、あるいは使い捨てや廃棄が容易でない元素が使用されている。大場教授らの研究グループは、最先端の第一原理計算を用いたマテリアルズ・インフォマティクスと高圧合成実験を連携させて、新しい窒化物半導体を探索した。様々な候補物質を対象に計算スクリーニングを実行し、特性および安定性の観点から有望な物質を選び出した。伝導キャリアの輸送に有利な電子構造の観点から、亜鉛を含む3元系窒化物半導体に対象を絞り、既知および仮想的な物質を含む約600種類の候補物質のリストを作成した。その候補物質を対象に、格子振動[用語7]に対して結晶が安定に保たれること、3元系状態図における競合相に対して安定またはわずかに準安定であること、バンドギャップをもつこと、有効質量[用語8]が小さいことを条件に、半導体として有望な物質を絞り込んだ。計算スクリーニングにより、図2に示すような21種類の窒化物半導体を選定した。このうち物質群Iに示すのは既知の半導体であり、これらが的確に選ばれたことは今回のスクリーニング手法の妥当性を示す結果である。IIについては合成の報告はあるものの、半導体としての応用が未開拓である。IIIは合成の報告すらない新物質である。このように、多様なバンドギャップをもつ有望な窒化物半導体を計算スクリーニングにより提案した。IIIの中でも、図3に示すCaZn2N2は、Ca、Zn、N(カルシウム、亜鉛、窒素)という豊富な元素のみで構成されるだけでなく、以下の計算結果から特に有望な新物質といえる。1.発光や吸光に適した直接遷移型[用語9]のバンド構造を有する。eV(電子ボルト)であり、赤色の発光が期待できる。eVの範囲で制御可能である。2.電子の有効質量が電子静止質量の0.2倍、重い正孔の有効質量が0.9倍と小さく、電子や正孔の輸送に有利である。これらは、例えば窒化ガリウムの電子の有効質量が電子静止質量の0.2倍、重い正孔の有効質量が2.0倍であることと比べても優れた値であることが分かる。3.p型とn型の両方にキャリアの制御が可能である。シリコンやヒ化ガリウムのような既存の半導体と同様なデバイス構造が利用できる新半導体である。第一原理計算により予測されたCaZn2N2の結晶構造と特性そこで、このCaZn2N2を合成実験のターゲットとした。合成方法としては、3元系状態図の計算よりCaZn2N2が高い窒素分圧下において安定であることを踏まえ、高圧合成を選択した。GPa(約5万気圧)の高温・高圧条件下においてこのCaZn2N2相が得られ、その結晶構造は予測されたものと等しいことが分かった。実験で得られた格子定数[用語10]と計算による予測値との差は0.3%と小さく、今回の理論予測が高精度であることを実証した。eVと理論予測にほぼ一致する値に見積もられ、直接遷移型のバンド構造を示唆する急峻な光吸収スペクトルの立ち上がりと赤色発光を観測した。今後の展望11種類の有望な新3元系窒化物に関する理論予測と、CaZn2N2の実験的な実証に関する以上の結果は、窒化物半導体のこれからの応用の可能性を広げるだけでなく、マテリアルズ・インフォマティクスにより物質探索を加速できることを示す実例である。今後、探索範囲を拡張して計算スクリーニングを実行し、より多様な新物質を選定し、実験により検証することで、新物質のさらなる開拓が期待できる。ナノ構造情報のフロンティア開拓-材料科学の新展開」の助成により行われた。計算には東京工業大学スーパーコンピュータTSUBAME2.5および京都大学スーパーコンピュータACCMSを用いた。地球上の存在量が少ないか、技術的・経済的な理由で抽出困難な元素。量子力学の基本原理に基づいた計算。物質の性質を支配する電子の状態だけでなく、安定性や構造を決定する際の指標となる全エネルギーが得られ、結晶や分子の構造を予測できる。数万気圧(数ギガパスカル)の高い圧力下での試料合成実験。これらの連携手法により膨大な数の物質の評価を行い、その結果に基づいて新物質や新機能を開拓することを目指したアプローチの総称。物質・材料の特性・機能を決める元素の役割を解明し利用する観点から材料研究のパラダイムを変革し、希少元素の代替や新材料の創製につなげることを目標とする文部科学省の研究プロジェクト。半導体において電子がとることができないエネルギー範囲であり、吸光波長の閾値や発光波長に関わる。量子効果や熱による格子の振動。物質中の伝導電子やホールの見かけ上の質量であり、値が小さいほど高い輸送特性が期待できる。価電子帯の上端と伝導帯の下端の電子状態が同じ波数ベクトルをもつ半導体のバンド構造であり、発光や吸光に適している。結晶格子の各辺の長さを与える定数。物質からの光の反射から半導体のバンドギャップを見積もる手法。東工大の教育に関連するWebサイトの構成です。