「家を建てる」から「竹の子を支える」まで、中国の科学者は結晶を調製するための新しい方法を開拓した

▲写真は2次元結晶をベースとした電子・光集積回路（Reference Newsより）

著者: Huang Yanhong、Huang Xianghong、Duan Yuechu

科学技術の広大な世界において、あらゆる大きな進歩は人類の前進の道を照らす明るい星のようなものです。最近、中国の科学者たちは結晶材料の分野で画期的な進歩を遂げ、結晶を作製する新しい方法を開発し、コンピューター、通信、航空、レーザー技術などの分野に新たな希望と可能性をもたらしました。

一見ありふれた素材のように見えるクリスタルは、現代のテクノロジーにおいて欠かせない役割を果たしています。私たちが日常生活で使うコンピューターや携帯電話から、航空宇宙機器やレーザー兵器などのハイエンド機器に至るまで、結晶は重要な部品です。大型結晶を製造する従来の方法は、小さな結晶粒子の表面に原子を「下から上へ」一層ずつ積み重ねていくというものでした。これは、基礎から始めて「レンガを一層ずつ積み上げて」最終的に家を建てるのとまったく同じです。

しかし、科学技術の急速な発展に伴い、従来の方法の限界がますます顕著になってきました。従来の結晶製造プロセスでは、原子を積み重ねて組み合わせて結晶を形成する前に、原子の種類と配置を厳密に選別する必要があります。しかし、原子の数が増え続けると、原子の配列が徐々に制御不能になり、不純物や欠陥が蓄積し続け、結晶の純度や品質に重大な影響を及ぼし、関連分野の発展を制限するボトルネックになります。

写真は「格子質量移動界面成長」という新しい方法を用いたウェハレベルの二次元結晶の作成を示しています（写真は Reference News より）

このジレンマを打破するために、北京大学の科学研究チームは徹底的な研究と探究を行い、ついに世界で初めて「格子物質移動界面成長」という新しい結晶製造方法を生み出しました。この方法は、比喩的に言えば、上部構造を支えることで「竹の子を押し上げる」ようなものであり、結晶成長にまったく新しい考え方とモデルをもたらします。

具体的には、北京大学の研究チームはまず「土台」、つまりセンチメートル規模の金属表面上に原子を配置して、結晶の第一層を形成した。その後、新たに追加された原子は金属と最初の結晶層の間に入り込み、既存の結晶層の上に成長し、継続的に新しい結晶層を形成します。この独自の成長方法により、結晶層の構築速度は毎分50層に達し、最大層数は15,000層になります。

さらに驚くべきことは、この新しい方法を使用して成長した結晶は、各層で完全に平行かつ正確に制御可能な原子配列を持ち、欠陥の蓄積を効果的に回避し、結晶構造の制御性を大幅に向上させることです。研究チームはこの新しい方法を用いて、硫化モリブデン、セレン化モリブデン、硫化タングステンを含む7つの高品質二次元結晶を作製することに成功した。これらの結晶の単層の厚さはわずか 0.7 ナノメートルで、現在広く使用されている 5 ～ 10 ナノメートルのシリコン材料と比較して、より優れた性能と幅広い応用の見通しを備えています。

これらの二次元結晶を集積回路内のトランジスタの材料として使用すると、チップの集積度が大幅に向上します。指の爪ほどの大きさのチップ上でトランジスタの密度が大幅に増加し、計算能力が質的に飛躍的に向上することを想像してみてください。これは、電子機器がより小型化、効率化、高性能化し、人工知能、ビッグデータ処理、仮想現実などの最先端技術の開発に強力なハードウェアサポートを提供することを意味します。

さらに、これらの新しい結晶は赤外線帯域での周波数変換制御にも使用でき、超薄型光チップの応用に新たな可能性をもたらします。将来的には、高解像度カメラや先進的なライダーなど、より軽量で効率の高い光学デバイスが登場し、通信、医療、自動運転などの分野に革命的な変化をもたらすかもしれません。

この画期的な成果は7月5日に科学誌「サイエンス」にオンライン掲載され、国際科学界から幅広い注目と高い評価を集めた。これは、結晶材料分野における中国の科学者の深い研究力と革新能力を示すだけでなく、世界の結晶材料の研究開発に新たな活力を注入するものである。

中国の科学者によるこの重大な革新的成果は、科学技術革新が人類社会の進歩を促進する重要な力であることを改めて証明している。今後、この技術がさらに改良され、推進され、応用されていくにつれて、私たちの生活にさらなる利便性と驚きをもたらし、人類社会の発展と進歩にさらに大きく貢献するだろうと信じるに足る理由があります。

我が国の科学者たちのこの優れた業績を称賛するとともに、彼らが今後の科学研究でさらなる画期的な成果を挙げ、中華民族の偉大な復興という中国の夢の実現と人類の科学技術の進歩と文明の発展に引き続き知恵と力を注いでくれることを期待しましょう。