窒化ガリウムナノチューブ

窒化ガリウムナノチューブ（GaNNT）は窒化ガリウムのナノチューブである。化学蒸着法で成長させることができる（直径30～250 nm）。^{[1] [2] [3]}

単結晶窒化ガリウム ナノチューブは、2003 年 4 月 10 日にバークレー大学化学部のPeidong Yangと彼の研究チームによって初めて合成されたと報告されました。 ^{[3]この合成は、Yang と彼の同僚が以前に開発したエピタキシャルキャスティングと呼ばれるプロセスを使用して、最初に}サファイア ウェハー上に純粋な酸化亜鉛結晶からナノワイヤを作成することによって達成されました。これらの酸化亜鉛ナノワイヤは、化学蒸着によって窒化ガリウムの結晶を成長させるためのテンプレートとして使用されました。^[3]窒化ガリウム結晶が形成されると、サファイア ウェハーに熱が加えられ、酸化亜鉛ナノワイヤのコアが蒸発しました。これにより、中空の窒化ガリウムナノチューブが残りました。これは、窒化ガリウムが酸化亜鉛に比べてはるかに熱的に安定した材料であるためです。結果として得られた窒化ガリウムナノチューブは、長さ 2 ～ 5 μm、直径 30 ～ 200 nm で均一でした。^[3]

GaNNT は、より広く知られているカーボンナノチューブに類似した 1 次元材料の一種です。GaNNT の実験的および理論的分析により、これらのナノチューブは 30 ～ 250 nm の直径と 5 ～ 100 nm の壁厚で構成できることがわかっています。 ^{[3] [2]} GaNNT は、チューブの「巻き方」によっても異なります。巻き方は、分子構造の曲がり方によって分類され、(n, m) 形式を使用してチューブがどのように曲げられたかを判断します。最も一般的な 2 つの形状は、(n, 0) 曲げのジグザグと、(n, n) 曲げのアームチェアです。ナノチューブのサイズとナノチューブの巻き方は、いずれも特定の GaNNT の特性に影響します。

GaNNT の構造特性は、GaNNT の単位格子の格子定数c から始まります。格子定数は原子の結合長に依存します。ジグザグ形状の場合、c = 3 - (結合長)、アームチェア形状の場合、c = √ 3 - (結合長) です。理論的評価により、最適な結合長は、ジグザグナノチューブの場合 1.92 オングストローム、アームチェアナノチューブの場合 1.88 オングストロームであることが判明しました。このチューブ形状は、0K を少し超えた温度から 800K までの非常に広い温度範囲で安定しています。^[3]

GaNNT のバンドギャップは、特定のナノチューブの巻き方とサイズの両方に依存します。ジグザグ GaNNT は直接バンドギャップを持ち、アームチェア GaNNT は間接バンドギャップを持つことがわかりました。さらに、バンドギャップは半径が大きくなるにつれて大きくなります。ただし、ジグザグ GaNNT ではバンドギャップが大幅に大きくなるのに対し、アームチェア GaNNT ではバンドギャップはわずかにしか大きくなりません。構造内の窒素空孔はエネルギー的には不利ですが、ガリウム空孔よりも起こりやすいため、電子のスピン状態に依存するバンドが生じます。スピンダウン電子のバンドはフェルミ準位より上に満たされていないバンドを作り、バンドギャップを大きくします。一方、スピンアップ電子のバンドはフェルミ準位より下に満たされたバンドを作り、バンドギャップを小さくします。このスピン依存のバンド分割により、GaNNT はスピントロニクスコンピューティング システムの候補となります。^[2]

GaNNT の機械的特性はナノチューブの巻き方に左右されますが、ナノチューブのサイズも影響するかどうかは不明です。ヤング率は(5,5) アームチェア型ナノチューブでは 793 GPa、(9,0) ジグザグ型ナノチューブでは 721 GPa と計算されました。(5,5) アームチェア型ナノチューブと (9,0) ナノチューブの場合、他の計算値には、最大引張強度がそれぞれ 4.25 eV/Å と 3.43 eV/Å、臨界ひずみが 14.6% と 13.3%、ポアソン比が0.263 と 0.221 が含まれています。中間の (n, m) ナノチューブの特性は、これらの範囲のどこかにあると想定されます。^[4]

機械的特性は、材料の温度とナノチューブにかかるひずみ速度によっても左右されます。温度に関しては、GaNNT の引張強度は温度が高くなると低下します。温度が高くなると、活性化エネルギー障壁を乗り越えるのに十分なエネルギーを持つ分子が多くなり、その結果、より低いひずみで変形が生じます。材料のひずみ速度により、ひずみ速度が低い場合、引張強度が低下します。これは、材料全体が一定のひずみを受けていないため、材料の一部の場所で他の場所よりも高い応力が発生するためです。ひずみ速度が遅いと、GaNNT が十分な局所変形を誘発する時間が長くなり、そのため塑性変形が早く発生します。つまり、ひずみ速度が遅いと、引張強度が低くなります。^[4]

窒化ガリウム (GaN) ナノチューブは、主にテンプレート指向法または気相固体 (VS) 成長のいずれかの方法で形成されます。

テンプレート法では、六方晶系酸化亜鉛 (ZnO)ナノワイヤをテンプレートとして使用する。化学蒸着法を使用して、GaN の薄層をテンプレート上に堆積し、エピタキシャル成長による鋳造物を作成する。次に、ZnO ナノワイヤ テンプレートを熱還元および蒸発によって除去する。透過型電子顕微鏡(TEM)を使用した分析では、テンプレートを除去した後も、ナノチューブの上部に ZnO 残留物が多孔質 GaN の薄膜とともに残っていることがわかった。これは、ナノチューブ形成の初期段階で、亜鉛と酸素が GaN の多孔質層を通してテンプレートから剥がれた結果である。この方法で生成された h-GaN ナノチューブは主に片方の端が開いていてもう片方は閉じているが、両端が開いているチューブも見つかった。エネルギー分散型 X 線分光法 (EDS) を使用して、ナノチューブのガリウムと窒素の強度比が 1:1 であることが観察された。ナノチューブの壁の厚さは5～50nm、内径の長さは30～200nmであった。^[5]

GaNナノチューブはテンプレートなしでも作ることができます。h-GaNナノチューブを作るもう1つの方法は、2段階プロセスで酸化ガリウム(III) (Ga ₂ O ₃ )ナノチューブをh-GaNナノチューブに変換することです。この方法では、生成されるナノチューブのサイズと形状のばらつきが少なくなります。生成されるナノチューブの長さは約10 nm、外径は約80 nm、壁厚は約20 nmです。この方法では、Ga ₂ O ₃の量に応じて4～5.0%の製品が生成されます。^[5]

Ga ₂ O ₃粉末とアンモニア(NH ₃ ) を使用すると、気相固相法でテンプレートを使用せずに c-GaN ナノチューブを合成することもできます。代わりに、触媒を使用しない高温プロセスが使用され、特定の条件が必要です。これらの条件の 1 つは高熱です。c-GaN ナノチューブのナノチューブ成長は、約 1600 ℃ (h-GaN ナノチューブの成長に必要な条件よりも 200 度高い) で行われ、プロセス全体を通じて継続的に増加しました。別の条件では、ナノチューブを作成するために必要な 2 段階の化学反応中にNH ₃と N _{2の流量を増やす必要がありました。} ^[6]

最初のステップでは、グラファイトるつぼから炭素を取り出す必要があり、これが Ga ₂ O ₃と反応してGa ₂ O 蒸気を生成します。次に、この蒸気が NH ₃と反応して固体 GaN ナノ粒子が生成され、これが NH ₃と N _{2 の}流れに巻き込まれます。次に、ナノ粒子は低温の誘導炉に運ばれ、そこで炭素繊維上に集まり、気相成長によって長方形のナノチューブを自己組織化します。形成されたナノチューブのほとんどは、長さが 50～150 nm の正方形または長方形の断面を持っています。チューブの壁の厚さは 20～50 nm で、長いものでは数マイクロメートルの長さであることがわかりました。^[6]

この方法が適用される前は、GaNの立方構造で合成できるナノ構造はc-GaNのナノ結晶のみであった。^[6]

M. Jansenらは、窒化ガリウムナノチューブを生成するための低コスト、高速、大規模な製造プロセスを開発しました。これは、リソグラフィーと誘導結合プラズマトップダウンエッチングを組み合わせて、シリコンナノリングアレイのハードエッチングマスクを生成することで実現しました。^[7]次に、ナノリングアレイをバルク窒化ガリウムの表面に配置し、エッチングして均等な比率のナノチューブ構造を生成しました。^[7]

韓国のソウル国立大学のChu-Ho Leeと彼の研究グループは、シリコン基板上に作製されたインジウムドープ窒化ガリウムナノチューブを合成することに成功しました。研究グループはこれらのナノチューブを発光ダイオードとして使用し、主に緑色の可視スペクトルの光を発しました。^[8]これらのナノチューブの合成は制御可能な幾何学的パラメータに依存しているため、窒化ガリウムナノチューブは、チップ間およびチップ内の光通信を使用することで、より高速な処理速度を持つマイクロチップを製造する方法を可能にする可能性があります。^[8]

ニューメキシコ大学のチャンギ・リーと彼の研究チームは最近、窒化ガリウムナノチューブの開口部の形状を変えることで、発光ダイオードとして動作しているときに放出される光の形状が変化することを示した。^[9]研究チームは電子ビームリソグラフィーを使用して、窒化ガリウムナノチューブ内に明確な環状の中空領域を作成し、最終的に環状の放出光を実現した。^[9]

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