この「原子のレベルで創る材料とその変わった性質」というページは、岩手ネットワークシステム(INS)が編集し、岩手大学工学部と岩手大学地域共同研究センターが発行した、「わかりやすい工学入門?2 -工学を目指す高校生へのプレゼント-」という本(非売品)に収められた同タイトルの記事を、WWWで公開するためにHTMLに変換したものです。公開に当たっては、発行に際して大変お世話になりました応用分子化学科の清水健司先生の了解をいただいています。

高校生を主な読者として想定したものですので、くどかったり、厳密さに欠けたりする部分が多々ありますが、その点はご了解下さい。

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原子のレベルで創る材料とその変わった性質

−薄膜、人工格子、そしてアトムマニピュレーション−

工学部材料物性工学科 山口 明

目次


それぞれの物質といろいろな性質

 ふだん私たちが目にするもの(物質)はすべて原子から成り立っています。その物質にはいろいろな性質があります。ここで食卓の上を眺めてみましょう。今、まさにあなたがフォークとナイフを駆使してビーフステーキを食べているところだとしましょう。で、ちょっと味が足りないのでそこにあった塩をぱらぱらと振り掛けたとします。
 ここで使ったフォークやナイフはたぶん金属製でしょう。金属は電気や熱を通しやすい、光沢がある、強い(物にもよりますが)、などの性質を持っています。これらの金属特有の性質は、どうして現れるのでしょうか。
 さっき塩を振り掛けましたね。塩には、水に溶ける、なめるとしょっぱい、電気を通さないが水に溶かすと電気を通すなどの性質があります。もう一つ、ステーキの主成分はタンパク質です。これは食べるとおいしい(タンパク質だけがその原因ではありませんが)という他に、熱を加えると変質する、いろいろな生体反応に関係しているなどの性質があります。これらの物質のさまざまな性質はいったいどこからくるのでしょうか。

物質 −原子の無限の組み合わせ−

 先ほども言いましたように金属は電気や熱をよく通します。これは実は自由に動きまわる電子(自由電子といいます)のおかげです。目には見えないのでわかりませんが、金属の中には猛列なスピードで動きまわっている電子がたくさんあります。これが金属が電気や熱の良導体になっている原因です。
 塩はどうでしょうか。
 食塩水は電気を通します。これは塩を構成するナトリウムと塩素がイオンとして水の中に溶けていて、電圧をかけるとこれらが移動するために起こります。固体の塩もこのナトリウムイオンと塩素イオンが交互に並んで結晶となっていますが、この場合イオンは簡単には動けませんし、金属のような自由電子もないので電気を通しません。
 タンパク質はアミノ酸と呼ばれる一群の物質を基本として連なってできる巨大な分子構造を持った物質で、炭素、水素、酸素、窒素などの元素から成り立っています。からだの中で筋肉や臓器を形作ったり、食べ物を消化したりと、いろいろと重要な働きをしているタンパク質も、これらの元素がある特別の形で結び付き合っているからこそ、そのような働きをするわけで、むやみやたらに適当につなぎあわせてもそのような働きはしません。
 このように、物質は特定の元素がある決まった結合のしかたで組み合わさっているからこそ、それぞれの特有の性質を示しているわけです。すなわち、原子の種類と構造が物質の性質を決定しているのです。では逆に、新しい組み合わせで新しい構造を作ってみたらどうでしょうか。そうすれば、これまでの物質にない、全く新しい性質を持ったものができあがるのではないでしょうか。そのような考えにたって作り出されつつある人工新物質が、人工格子、アトムマニピュレーションと呼ばれているものです。

(a)金属(銅原子が規則正しく並んでいる) (b)食塩(ナトリウムと塩素が交互に並んでいる) (c)タンパク質(炭素、酸素、水素などからなる巨大分子)
図1:いろいろな原子といろいろな物質

人工格子とは?


図2:地球と野球のボールと原子の大きさの関係

 人工的に原子を組み合わせれば、新しい性質を持つ物質ができるだろうと、言うのは簡単ですが、実際やろうとするとこれはものすごく大変なことです。例えば野球のボールと原子の直径の比率は、ちょうど地球と野球のボールの直径の比率と同じくらいで約2億倍です。と言うことは、野球のボールを一個一個集めて地球を作るには、単純に考えて2億×2億×2億=8000000000000000000000000個のボールが必要なぐらい大変な作業になるわけですが、原子を一個一個集めてボールを作ることもこれくらい大変だ言うことになります。もちろん、誰だってボールを集めて地球を作ろうだなんて考えたりしませんよね。ですから、現時点では原子一個一個のレベルで構造を制御した物質は非常に小さいものばかりです。
 人工格子とは、広い意味ではその名の通り、人工的に作り上げた格子構造を持った物質を指します。この人工格子の分類には、例えば図に示すように、(a)一次元人工格子、(b)二次元人工格子、(c)三次元人工格子など、その規則性を持たせる次元の違いで分類する方法もあります。この図でもわかるように一次元よりも二次元、二次元よりも三次元の人工格子がより細かい構造の制御が必要になります。そのようなわけで、現時点で実際に作られているのは、ほとんどが(a)のような、層状構造を持った一番作りやすい人工格子となっています。そのために、今のところ「人工格子」という言葉は、同じ様な構造をもつ「多層膜」とほとんど同じ意味で使われていますが、どちらかというと人工格子は原子レベルでより細かい制御を行ったものというイメージがあります。今後、特に断らない限り「人工格子」は(a)のような層状構造をもった膜を指すことにします。

(a)一次元人工格子 (b)二次元人工格子 (c)三次元人工格子
図3:いろいろな人工格子

人工格子の作り方

 人工格子の作り方にはいろいろな方法がありますが、よく用いられるのが気相成長法と呼ばれる方法です。この方法はふつうは固体状態である金属や半導体、セラミックスなどを気体状態にし、基板の上で固体状態に戻す方法です。この中でも人工格子膜の作製によく使われるのが、スパッタ法とMBE法です。
 スパッタ法では、図に示すような装置を用いて膜を作ります。膜を作るときにはまずこの装置内を真空にします。次にこの中にアルゴンと呼ばれるガスを入れます。このガスは他の元素とはなかなか反応しないので、不活性ガスと呼ばれます。次に装置内に電圧を掛け、アルゴンのプラズマを発生させます。プラズマとは原子が電子とイオンに分かれてそれぞれが自由に運動する状態のことを言います。さらに膜にしたい物質でできた板(ターゲットと言います)にマイナスの電圧を掛けると、プラズマの中の正イオンが引き寄せられてそれに衝突します。するとターゲット表面の原子がはじき飛ばされ、その中の一部は基板に到達し、膜が成長します。
 MBE法では、膜にする物質を加熱したり、電子線を当てたりして固体を気体にし、それを基板上で固体にします。スパッタ法と大きく違うところは、非常に高い真空度で行うため、酸素原子などによって汚染される心配が無く、非常にゆっくりした速さで膜を作ることができること、高速の電子線を使って成長中に膜表面の原子の配列がわかることなどです。このような特徴があるため、MBE法は原子を一層一層ずつ積み重ねた膜を作製するのに適しています。
 スパッタ法もMBE法も、複数の物質を気体にすることができるようになっており、これらを交互に積み重ねれば人工格子膜ができあがります。
 先ほども書きましたように、MBE法は原子の配列をより精密に制御するのに適した方法ですが、膜の成長速度が遅い、手間がかかる、装置の価格や運転費用が高いなどの欠点もあるため、主に研究用に用いられています。スパッタ法は精密な制御は困難ですが、非常に手軽に使え、価格も比較的安く、高速に試料が作られるため、研究用ばかりではなく工業用にも広く用いられています。
 岩手大学の工学部にはこのMBE装置とスパッタ装置の両方があります。これらの装置は、今まで存在しなかった全く新しい物質を作るため、休み無く働き続けてくれています。


図4:スパッタ装置の模式図

古くて新しい人工格子

 人工格子の研究は意外と古くから始まっており、1934年にはすでに銅と金の組み合わせで交互に積み重ねた人工格子の試作が行われています。DuMondとYoutzらは多層構造を作ればX線を反射する鏡ができるのではないかと考えたのです。結果は大成功で、目的どおりのものができましたが、銅と金は非常に混ざりやすいため、数日放置していたら多層構造は消えてしまいました。
 その後は研究がありませんでしたが、30年近くたって拡散(混ざりやすさ)の研究に使えるのではないかという考えから、再び人工格子の研究が始まりました。しかし、人工格子そのものを何かに利用しようとする考えは当時はありませんでした。
 1970年、ようやく人工格子を利用しようとする提案がなされます。まず、性質の異なる金属を交互に積み重ねると非常に強い材料ができるのではないかという提案がなされました。さらにあのノーベル賞を受賞した江崎玲於奈らは原子レベルで半導体の多層構造を作れば新しい半導体デバイスが作製できると考えました。それと同時に、江崎と一緒に研究していたChoらはその多層構造を作る手段としてMBE法を提案しています。
 それから7年後、ようやく人工格子そのものの性質が実際に調べられるようになり、銅とニッケルを重ねた人工格子の弾性定数(引っ張ったときの伸びにくさ)が銅やニッケル単体よりも大きくなることが報告されました。この報告はかなり注目されたため、次第に人工格子の研究が盛んになってきました。
 さらに1985年、パラジウムとコバルトの組み合わせの人工格子膜は垂直磁化膜になることが発見されました。後で詳しく説明しますが、この、膜に対して垂直方向に磁化しやすいという性質は、物理学的に興味あるばかりではなく、工学的にも非常に重要な性質で、人工格子の研究が一気に加速されることになりました。それまでは学会などでも人工格子の研究はそれほどは注目されませんでしたが、この発見の後は研究発表の会場に人が入りきらないとか、口頭発表では時間が足りないのでポスターでの発表になるとか、ものすごい盛り上がりを見せるようになりました。
 その後も、金属ではできないといわれてきた、一原子層ずつの結晶の成長が東大の金子らよって、また光磁気記録材料として利用する場合に重要となるカー効果の増大が電総研の片山らによって発見されるなど、日本でも重要な発見が数多くなされるようになって来ました。
 そして1988年に電気抵抗が磁場によって大きく変化する性質が発見されました。この、巨大磁気抵抗効果と呼ばれる性質は、これも後で詳しく説明しますが、磁気ヘッドとして使う材料として非常に有望であるため、発見以来ものすごい勢いで研究が進められています。
 以上、人工格子とは、古くから研究された物質ではあるが、最近になってますます注目を集めている、古くて新しい材料である、ということがわかって頂けたかと思います。

1934DuMondとYoutz、銅/金人工格子の試作
1963Dinklageら、拡散の研究
1970Koehlerら、強力固体設計の提案
江崎玲於奈ら、半導体超格子の提案
Choら、MBEの提案
1972Woodallら、LPEの提案
1977Yangら、弾性定数の増大を発見
1985Carciaら、垂直磁化を発見
1986金子ら、金属でRHEED強度振動を発見
片山ら、カー回転角増大を発見
1988Baibichら、巨大磁気抵抗効果を発見

表1:人工格子研究の歴史

人工格子でNとSが立つ −垂直磁化−

 磁石にはNとSと呼ばれる二つの極があることはご存じでしょう。普通の磁石ではその極はNとSが一つずつですが、これはむしろ特殊な場合で、たいていの磁性体(磁気を帯びる物質のこと)はNとSが対となった(小さな)部分から成り立っています。これは微小な磁石が詰まっている、というように考えることもできます。その微小磁石のN極とS極の並び方を変えてやり、後でその変えてやった並び方を読み出すことができれば、情報が磁気的に保存できることになります。磁気テープ(カセットテープやビデオテープはもちろん、テレフォンカードやクレジットカードなどにも使われている)、磁気ディスク(フロッピィーディスクやハードディスク等)などを使った磁気記録では、そのような方法で記録を行っています。
 磁気テープや磁気ディスクは非常に薄いものですが、普通の材料の場合、そのような薄いものの中の微小磁石は横に寝てしまう、という性質があります。そのため、これまでは図に示すように寝る向きを変えてやって記録する方法がよく用いられてきました。しかし、このやり方ですと、記録する密度に限界がある、あるいは反発しあうN極とN極、S極とS極が向き合っているために不安定になる、などの欠点があります。そこで図に示すように、もし磁石が寝ないで縦になり(垂直磁化)、N極とS極が上下反転するような記録方法(垂直磁気記録)ができれば、このような欠点が克服できると考えられました。が、実際はそう簡単なことではありませんでした。非常に特殊な性質であるため、限られた材料しか垂直磁化を示さないのですが、他の条件なども考慮すると適当な材料はなかなか見つからなかったのです。そのような折り、パラジウムや金、白金などの貴金属と、鉄やコバルトなどの磁性金属を組み合わせて交互に積み重ねた貴金属/強磁性金属系人工格子が垂直磁化膜になることが発見され、非常に注目を浴びるようになりました。
 現時点では高価であることなどから、人工格子の垂直磁化膜は実用材料としては用いられていませんが、他の記録材料に無い多くの利点を持つため、今後の研究の展開次第では大きく発展する可能性を秘めているといわれています。


図5:面内磁化と垂直磁化の比較

磁石を近づけると「巨大」な変化 −巨大磁気抵抗効果−

 磁性材料はどんな物でも磁石を近づけると磁場が変化するために電気抵抗(電気の流れにくさ)が変化することは知られています。この磁場による電気抵抗の変化を磁気抵抗と呼んでいます。その磁気抵抗の変化量は普通はせいぜい1%程度で小さいため、あまり実用に使えるとは考えられていませんでした。また、特殊な化合物では極低温で非常に大きな磁気抵抗の変化を示しますが、私たちが住む普通の温度(室温)ではこれは消えてしまいます。そのため、磁気抵抗が注目されることはありませんでした。
 ところが、ドイツの大学院生が鉄とクロムを交互に積み重ねた人工格子を作り、その磁気抵抗を測定してみたところ、なんと室温でも約16%という「巨大な」変化を示すことがわかりました。このような物質はそれまでには全く見つかっておらず、「新物質発見」と大騒ぎになりました。その後、非常に多くの研究が多くの研究者によって行われ、同じような巨大磁気抵抗効果を示す人工格子がたくさん見つかり、室温での変化も最大200%にもなることがわかりました。これに関連する研究は現在もかなり熱心に行われています。
 なぜこれほど注目されるのでしょうか。それはなぜかというと、磁気ヘッド材料として最適であるからです。
 先ほどお話したように、微小磁石の並び方を変え、それを後で読み出すのが磁気記録ですが、その読み書きには磁気ヘッドと呼ばれるものが用いられます。記録した情報を読み込むときには、磁石の向きによって変わる磁場をこの磁気ヘッドが見るわけですが、実際には磁場の変化を電圧に直して出力としています。そしてその電圧は磁場の変化の速さに比例します。出力電圧は大きければ大きいほど、ノイズの影響等が少なくなるために望ましいのですが、そのためには磁場の変化の速さも大きいこと、ひいてはテープやディスクの速度も大きいことが必要になります。そうすると今度は記録密度を大きくすることが困難になります。ところが、巨大磁気抵抗効果を利用した磁気ヘッドでは、磁場の大きさががそのまま抵抗に比例するために、速度を大きくする必要がありません。よって記録密度を上げることも可能になります。
 このような大きな利点があるため、巨大磁気抵抗効果を磁気ヘッドに利用する研究は、特にハードディスクメーカーで精力的な研究が行われており、実用化されると現在よりも一桁も大きな容量を持つハードディスクが実現されるともいわれています。


図6:巨大磁気抵抗効果とは?
(磁石を近づけると大きな電流が流れる)

究極の材料調理法 −アトムマニピュレーション−


図7:アトムマニピュレーションとは?
(あたかも手でつかんで原子一個一個を組み立てて物質をつくるようなもの)

 人工格子は人工的に原子の配列を制御した物質である、といいましたが、その原子配列制御をとことんまで精密に行い、ついには原子一個一個までをも相手にして物質を作り出そう、という試みがあります。このような試みは、原子を手でもってあやつる、という意味でアトムマニピュレーションなどと呼ばれています。では、本当にそのようなことは可能なのでしょうか。
 「世界一小さな文字」などという見出しの記事が新聞に載ったことがあります。その記事には写真もあって、そこにはちょっと下手な字で「IBM」と書かれていました。字は数個の点から成り立っていて、なんとその点の一個が金の原子一個だというものでした。まさにアトムマニピュレーションです。いったいどうやって書いたのでしょう。
 この字はSTM(走査トンネル顕微鏡)という顕微鏡を用いて書かれました。STMは最近開発された、原子一個一個を区別できる顕微鏡です。鋭い針を見たい物質の近くすれすれまで持っていき、その物質をなでるように動かしながら、物質と針との間に流れる電流の大きさを調べ、物質表面での原子の配列を得る、というのがその原理です。STMはもともとは原子を見るために開発されたものでしたが、原子をあやつることもできることが明らかになってきました。
 図のようにまず置きたい原子を針にくっつけます。針と原子溜めの間に適当な電圧を掛けるとその原子がくっつきます。次に針を置きたい場所に持っていきます。針を動かすには、電圧を掛けると形が変化するピエゾ素子が利用されています。針が所定の場所に来たら、基板と針の間に適当な電圧を掛けます。するとさっきは針にくっついた原子は今度は基板にくっつきます。これを繰り返せば好きな字が書けますし、好きな構造を作ることができるわけです。
 ここに示した例でもわかるように、現在のところアトムマニピュレーションは決して効率的な方法ではありません。こんなやり方をしていたら、目に見える材料ができるまでには気の遠くなるような時間と手間が必要になるでしょう。


図8:STMを使ったアトムマニピュレーション

最後に −夢の材料を目指して−

 アトムマニピュレーションはおろか、一次元人工格子の作製に用いるMBE法でさえ、その作製効率は非常に悪く、とても実用材料を作る目的には使えません。ですが、これらの方法に変わる、効率のよい人工格子作製法がいつの日か開発されないとも限りません。もしそのようなことになれば、これまでの物質とは全く異なる構造と性質を持った、夢のような材料が発見され、そして利用されるようになるかもしれません。その可能性はじゅうぶんあると私は考えています。

略歴

1964年宮城県に生まれる
1987年東京大学工学部金属材料学科卒業
1992年同博士課程修了 博士(工学)取得
東京大学生産技術研究所 助手
1993年岩手大学工学部材料物性工学科 講師
専門薄膜材料、人工超構造材料
趣味ドライブ、天体観測、パソコン

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