【連載】TECH-MAG 研究室レポート

先生が取り組まれている研究について教えてください。

私が取り組んでいるのは「新しい半導体材料を作り、その性質を解明すること」です。現在の電子機器に使われている半導体は、シリコンを材料に用いているものがほとんどです。しかし、シリコンを使った半導体を今以上に小さくするのは難しいといわれており、シリコンに代わる「新しい半導体材料」が求められているのが現状です。

そこで私たちは、新しい材料の候補として「遷移金属ダイカルコゲナイド」という物質を研究しています。この物質は、原子がシート状に強く繋がった構造を持つ「層状物質」で、一層の厚みが3原子分、約1ナノメートルと圧倒的に薄いのが特徴です。1ナノメートルと言うとインフルエンザウイルスよりも小さく、この薄さから二次元物質とも呼ばれます。このダイカルコゲナイドを用いることで、非常に薄い半導体材料を作ることができ、応用の一例として、従来よりも消費電力を抑えた半導体になることが期待できます。

前例がないからこそ近道はない

研究を進める中で難しいことも多かったのではないでしょうか？

例えばいい材料を作ろうとしても、物質の原子の一つが抜けていたり、違う原子が入っていたりすると性能に大きな影響があります。ダイカルコゲナイドの研究はまだ新しい分野なので、どうすれば良い材料が作れるのかのデータはなく、ひたすら自分たちで試行錯誤して答えを見つけるしかありません。

ただ、何も分からない中で研究を重ね、実際に狙いどおりの物質を作ることができたのはうれしかったですね。他の人が取り組んでいないことに挑戦し、新しい道を切り開くことができました。

困難を乗り越えるためにどのような工夫をしましたか？

研究を成功させる上で特別なことは何もしていません。実験の場合、最初から答えは分からないことが多いので、ひたすら注意深く結果を観察し、仮説を立てて検証することを繰り返しながら取り組んでいます。あとは、共同研究者とのディスカッションをとても大切にしています。意見を交える中で、新しい仮説が出てくることも多いです。

先ほど挙げたダイカルコゲナイドの連続合成の例においても、最初はいろんな困難がありました。例えば、当時はほとんど使われていない原料を用いたのですが、従来の原料よりも低い温度で壊れる不安定な材料でした。分かりやすく言えば、600度で結晶を成長させたいのに200度くらいで壊れてしまうのです。そこで、原料の供給スピード(流速)や電気炉の温度分布を調整したり、添加物を加えたりしてようやく安定に成長させられるようになりました。こうして一つ一つの課題をクリアできたのは、これまでの経験を基に、よく観察して何度も検証したからこそだと思っています。

培ってきた経験が結果を導くのですね。

そうですね。積み重ねてきたことが研究に生かせていますし、築いてきたネットワークも重要な役割を果たしました。2015年に初めてダイカルコゲナイドの結合面の観測を行った際も、観測が得意な知人と共同で行うことで達成できました。困難を乗り切る、課題をクリアする上で人とのつながりは大事です。人とのつながりによって新しい技術が生まれると思っています。

新しい道を切り開く研究がしたかった

この研究に取り組もうと思ったきっかけは何だったのでしょうか？

2004年に、マンチェスター大学の研究者らが「グラフェン」という単原子シートの単離に成功したことがきっかけです。グラフェンは、「グラファイト(黒鉛、鉛筆の芯の素材)」を構成している物質ですが、長い間グラファイトからグラフェンを単離させることができませんでした。しかし、単離に成功してから一気に研究が進み、新しい性質が発見されたり、応用技術が生み出されたりしたのです。2010年には、発見者がノーベル物理学賞を受賞しています。こうした新しい物質の発見から研究が進むという一連の流れが非常に面白く、自分も新しい何かを見つけ、その性質を明らかにするような研究がしたいと思いました。

何の研究に取り組もうかと考えた結果、異なる二次元物質をくっつけて新しい性質を見つけようと思ったのです。他にも候補はあったのですが、結局はここに落ち着きました。これが2011年のことです。そこから研究を続け今に至ります。

幼いころから理系の科目が好きだったのですか？

そうですね。理系の道に進もうと思ったのも小さいころから理科や算数が好きだったからです。ただ、なぜ好きだったのか明確な理由は分かりません。親が理系の本や教材を与えていたからなのかもしれませんね。

先生は物理が専門ですが、物理の魅力はどんなことでしょうか？

研究対象が広く、また様々な分野に対応できる基本的な物理法則を理解できることですね。素粒子のような小さいものから身近な物質、そして宇宙まで、あらゆることが研究対象になります。興味を持ったものならなんでも研究対象になるのは面白いと思います。また、物理は理系の分野で必要な基礎知識が学べます。材料系の研究で重要な「物の性質」も、基本的な物理の法則に基づいて決まっていることです。化学や工学など別分野のことにも応用できるのは大変魅力的だと思います。

最後に読者の高校生、大学生にメッセージをお願いします。

サイエンスがカバーする領域はとても広いのですが、いろんなことに興味を持ってください。最初は興味がなくても、とりあえず触れてみることが重要で、あとから興味が沸くケースも多いです。
研究をする上で好奇心は一番の原動力になります。興味を持ったことに対して熱中してください。その熱中したことがこの先の研究で生きるはずです。

私が取り組んでいる「二次元物質」の研究は新しい分野で、まだ誰も知らないようなことがたくさん眠っています。「未開拓の分野」ほど面白いものはありません。ぜひ、若い人にも二次元物質や、もしくは未知の物質の研究に取り組んでもらいたいですね。