東工大,ボロフェンに似たホウ素二次元ナノシートを合成

東京工業大学の研究グループは,ボロフェンに類似するホウ素二次元ナノシートを常圧大気下で簡便に合成することに成功した(ニュースリリース)。

近年,ポストグラフェン材料としてボロフェンが注目されている。ボロフェンは,炭素の隣の族の元素であるホウ素からなる原子層物質で,物理的な高強度性に加え,高い柔軟性を備えている。しかしボロフェンは,高真空下の金属面上でしか安定に存在できないため,それが実用化に向けた課題とされてきた。

研究グループはこれまでに,典型金属クラスターの合成と構造,物性について研究し,13族元素であるアルミニウムクラスターの特性を明らかにしてきた。そこで同じ13族元素としてのホウ素にも着目した。ホウ素はクラスター化することで平面構造をとることが理論計算から示され,その挙動はアルミニウムとは全く異なる。こうした元素の基礎物性の差から,ホウ素の集合体はこれまでにない構造をとるのではないかと考えた。

今回の研究では,水素化ホウ素カリウム(KBH4)を原料として,ボロフェンに類似する「ボロフェン類縁ホウ素二次元構造体」を,常圧大気下できわめて簡便かつ大量に合成する手法を確立した。

ホウ素二次元構造体から得られた結晶は,ホウ素と酸素からなる単原子層と,カリウムカチオンからなる層とが交互に積層した構造であることがわかった。この結晶は,各層の面に平行な方向と,面に垂直な方向で,異なる電気特性を示した。

またこの結晶では,層間の結合力が弱いため,物理的な圧力や溶媒和により,各層を簡単に剥離できることがわかった。この剥離法により,数ミクロンを超える大きさのホウ素シートやその単原子層を作ることができた。

研究グループは,層間に導入されたカチオンにより簡単な原子層剥離が可能という利点を用いて,さまざまな応用研究への展開が可能になるという。例えば,今回合成された単原子構造は,グラフェンのような電子部材への応用や,またこの単原子層が積層した構造体は,層間に弱い相互作用があることと,多くのカチオンを含むことから,高誘電材料等への応用も期待できるとしている。

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