(57)【要約】【課題】単電子トンネリングを利用して、低温から室温まで動作可能な良伝導性非晶質合金、弱電用良伝導性非晶質合金および強電用良伝導性非晶質合金を提供する。【解決手段】伝導島を有する孤立した複数の金属クラスターが、サブナノスケールの絶縁層を介して連続して連なった集積ナノ構造を有している。電子が、伝導島を介して、極低温から５００℃の範囲で各金属クラスター間をトンネリングするよう構成されており、直流・交流のバリスティック伝導を示す。また、各金属クラスター間にサブナノスケールの原子空孔が均一に分布している。水素原子が各金属クラスター間に侵入固溶した、Ni-Nb-Zr系非晶質合金またはTi-Ni-Cu系非晶質合金から成っていてもよい。【選択図】図２
2011144416.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
伝導島を有する孤立した複数の金属クラスターが、サブナノスケールの絶縁層を介して連続して連なった集積ナノ構造を有し、電子が前記伝導島を介して各金属クラスター間をトンネリングするよう構成されていることを、特徴とする良伝導性非晶質合金。
【請求項２】
各金属クラスターがナノスケールからメートルスケールの範囲で連続して連なっており、電子が各金属クラスター間をナノスケールからメートルスケールまでトンネリングするよう構成されていることを、特徴とする請求項１記載の良伝導性非晶質合金。
【請求項３】
直流・交流のバリスティック伝導を示すことを、特徴とする請求項１または２記載の良伝導性非晶質合金。
【請求項４】
電子が、極低温から５００℃の範囲で各金属クラスター間をトンネリング可能であることを、特徴とする請求項１、２または３記載の良伝導性非晶質合金。
【請求項５】
各金属クラスター間にサブナノスケールの原子空孔が均一に分布していることを、特徴とする請求項１、２、３または４記載の良伝導性非晶質合金。
【請求項６】
水素原子が各金属クラスター間に侵入固溶したNi-Nb-Zr系非晶質合金またはTi-Ni-Cu系非晶質合金から成ることを、特徴とする請求項１、２、３、４または５記載の良伝導性非晶質合金。
【請求項７】
前記水素原子が３〜８at％含有されていることを、特徴とする請求項６記載の良伝導性非晶質合金。
【請求項８】
各金属クラスターがより低級なクラスターで結合されていることを、特徴とする請求項１、２、３、４、５、６または７記載の良伝導性非晶質合金。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれか１項に記載の良伝導性非晶質合金から成り、電子回路の配線、電極・照明材といった弱電用材料として、情報処理を行う超高速集積・極低電力システムに使用可能であることを、特徴とする弱電用良伝導性非晶質合金。
【請求項１０】
請求項１乃至８のいずれか１項に記載の良伝導性非晶質合金から成り、送電線、発電・電動・変圧捲線材といった強電用材料として使用可能であることを、特徴とする強電用良伝導性非晶質合金。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、良伝導性非晶質合金、弱電用良伝導性非晶質合金および強電用良伝導性非晶質合金に関する。
【背景技術】
【０００２】
弱電・強電を問わず、電気伝導性材料は、産業・社会においてなくてはならないものである。電気伝導性は銀が最も良好(1.6 μΩcm)であるが、価格が高いため、電気伝導性材料としてはもっぱら銅が用いられている。しかし、現在のトランジスタは、その微細化による集積度の向上に伴う発熱およびノイズの問題点から、微細化の限界が近づいている。これを克服する一つの方法として、従来の集積回路に使われている金・銀・銅系の配線を、さらに低抵抗化して抵抗熱を抑えたり、熱放電を向上させたりする必要がある。また、送電線、発電捲線材等の強電用材料においても、ジュール熱の発生を抑制するためには、より電気抵抗の小さい材料が必要とされる。
【０００３】
ジュール熱Ｑ(J)は、Q=RI2t （R(Ω):抵抗、 I(A)：電流、 t：時間(秒)）で与えられるので、抵抗率の小さい材料ほどジュール熱の発生を抑制するのに適している。結晶金属の電気伝導度は、固有の残留抵抗、格子・フォノン相互作用よって決定づけられるが、非晶質合金では、格子・フォノン相互作用がなく、反対にデバイワラー因子が指数関数的にきくため、非晶質合金は結晶金属より１〜２桁高抵抗である。
【０００４】
本発明者らは、金属結晶多面体間もしくは金属クラスター間に侵入固溶した水素原子が、隣接する金属多面体間もしくは金属クラスター間の水素原子と、金属多面体もしくは金属クラスター間構成原子の伝導島（クーロン島）を介してプロトンもしくは電子としてトンネリングする集積微細構造を有する非晶質合金を見出している（例えば、特許文献１参照）。このようなプロトントンネリングする非晶質合金や、単電子トンネリングする非晶質合金では、トンネル現象でプロトンや電子が移動するため、これらの非晶質合金を利用して、電気抵抗が極めて小さい材料を得ることができると考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−９９８６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に記載のようなプロトンや電子がトンネリングする非晶質合金を電気伝導性材料として使用するには、クーロン島の大きさをナノメートルサイズまで小さくして集積させ、さらに室温で作動させる必要があるが、これまでそのようなものは見出されていなかった。
【０００７】
本発明は、このような課題に着目してなされたもので、単電子トンネリングを利用して、低温から室温まで動作可能な良伝導性非晶質合金、弱電用良伝導性非晶質合金および強電用良伝導性非晶質合金を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明者らは、新たな発想のもとに鋭意研究を行い、金属アモルファスを含む合金に電気分解やイオン注入法、ガス浸透法のような種々の方法により水素をチャージさせるという方法によって、銀以上の伝導性を有するバリスティック（弾道）伝導体となる非晶質合金が形成されることを見出し、本発明を完成するに至った。この現象は、金属または半導体の物質サイズがナノサイズまで小さくなると現れる量子効果の現象であり、本発明者らが初めて発見した現象である。
【０００９】
すなわち、本発明に係る良伝導性非晶質合金は、伝導島を有する孤立した複数の金属クラスターが、サブナノスケールの絶縁層を介して連続して連なった集積ナノ構造を有し、電子が前記伝導島を介して各金属クラスター間をトンネリングするよう構成されていることを、特徴とする。
【００１０】
本発明に係る良伝導性非晶質合金は、伝導島を有する孤立した複数の金属クラスターが、サブナノスケールの絶縁層を介して連続して連なった集積ナノ構造を有しており、電子が伝導島を介して各金属クラスター間を無抵抗でトンネリングするため、ノイズも熱の発生もない、極めて伝導性の良いバリスティック（弾道）伝導体となることができる。また、本発明に係る良伝導性非晶質合金は、低温から室温、さらにはガラス転移点直下の中温度において、クーロン島がナノメートルサイズまで小さくなって集積されており、単電子トンネリングを利用して、低温から室温を経て中温度域まで動作可能になっている。
【００１１】
本発明に係る良伝導性非晶質合金は、伝導島を有する孤立した複数の金属クラスターが、サブナノスケールの絶縁層を介して連続して連なった、チェーン状の量子ドットの集積微細構造(セル)を、溶湯からの急速冷却により自己組織化的に形成させることにより作成される。
【００１２】
本発明に係る良伝導性非晶質合金は、各金属クラスターがナノスケールからメートルスケールの範囲で連続して連なっており、電子が各金属クラスター間をナノスケールからメートルスケールまでトンネリングするよう構成されていることが好ましい。また、直流・交流のバリスティック伝導を示すことが好ましい。さらに、電子が、極低温から５００℃の範囲で各金属クラスター間をトンネリング可能であることが好ましい。本発明に係る良伝導性非晶質合金は、各金属クラスター間にサブナノスケールサイズの原子空孔が均一に分布していることが好ましい。
【００１３】
本発明に係る良伝導性非晶質合金は、四面体、八面体、十二面体、二十面体等の金属多面体構造、金属クラスターおよびその派生構造の組み合わせから部分的もしくは全面的に構成されていることが好ましい。また、水素原子が各金属クラスターの内部よりはむしろ、主に各金属クラスター間、すなわち各金属クラスターの境界に存在していることが好ましい。このような非晶質合金に水素原子が吸収される時、水素原子は最初金属多面体間に超高圧的に侵入固溶し、サブナノスケールの絶縁層（空孔）を介した連続的クラスター集合体を作る。それ以上はクラスター中に固溶するが、絶縁性のクーロン振動を起こす。従って、この場合の非晶質合金は、クラスター間に固溶する水素量によって規定される。水素の固溶限は水素原子との親和性がある元素によって異なるものの、水素原子がクラスター間に最大固溶限界まで固溶した組織は、ナノオーダーの均一な組織ネットワーク構造が系全体に作成されている理想的なナノマテリアルとなる。
【００１４】
本発明に係る良伝導性非晶質合金は、水素原子との親和性が良い金属元素および親和性のない金属元素の両方を使用し、かつ水素原子を侵入個溶する金属クラスターから構成されていることが好ましい。この場合、電子ドットトンネリング現象の発生温度を、水素原子との親和性の高い金属元素の量によって制御することができる。このため、構成元素の種類とその組成を変化させることにより、各種の用途に応じた非晶質合金を形成することができる。また、量子ドットトンネリング現象の感度が、水素原子との親和性の高い金属元素と水素原子量との比によって変動するため、その比を変化させることにより、用途に応じた非晶質合金を形成することができる。例えば、四面体金属クラスターの場合、金属元素対水素原子の比は、４：１以下、八面体の場合、８：１以下が好ましい。
【００１５】
本発明に係る良伝導性非晶質合金は、水素原子が各金属クラスター間に侵入固溶したNi-Nb-Zr系非晶質合金またはTi-Ni-Cu系非晶質合金から成ってもよい。この場合、特に、前記水素原子が３〜８at％含有されていることが好ましい。なお、水素の作用は金属クラスターの分離であるため、スパッター等の物理蒸着法で、同様な島状のナノオーダーの均一な組織ネットワーク構造を作れば同様の特性が得られる。このため、必ずしも水素のドーピングである必要はなく、水素を含まない他の構成であってもよい。
【００１６】
本発明に係る良伝導性非晶質合金は、各金属クラスターがより低級なクラスターで結合されていることが好ましい。この場合、靭性を有するとともに、電気抵抗率の極端に異なる２相より構成されているため、全体としては結晶金属より１〜２桁大きい電気抵抗率を有している。しかし、実際の電気伝導は電気抵抗率の小さい部分を流れるため、極めて伝導性の良いバリスティック（弾道）伝導を示す。これは、超伝導体と同様「２流体モデル」で説明することができる。なお、各金属クラスターの結合は、例えば、より低級なボルドヌイクラスターによってなされていてもよい。ここで、より低級なクラスターとは、金属クラスターよりも配位数が小さく、強度の弱いクラスターを指している。
【００１７】
本発明に係る弱電用良伝導性非晶質合金は、本発明に係る良伝導性非晶質合金から成り、電子回路の配線、電極・照明材といった弱電用材料として、情報処理を行う超高速集積・極低電力システムに使用可能であることを、特徴とする。本発明に係る強電用良伝導性非晶質合金は、本発明に係る良伝導性非晶質合金から成り、送電線、発電・電動・変圧捲線材といった強電用材料として使用可能であることを、特徴とする。
【００１８】
本発明に係る弱電用良伝導性非晶質合金および強電用良伝導性非晶質合金は、本発明に係る良伝導性非晶質合金から成り、金属クラスターのネットワーク組織が規則正しい構造を有しているため、細線ネットワーク配線も兼ねることができる。このため、電気抵抗が極めて小さい材料として使用することができる。また、個々の分岐スイッチには、ソース・ドレイン電極がないため、配線の問題が起こらず、ナノサイズの高密度集積化にも適している。
【００１９】
このように、本発明に係る弱電用良伝導性非晶質合金および強電用良伝導性非晶質合金によれば、配線を必要とせず、トンネル電流の漏洩もないことから、電子輸送の機能化を最大限に利用でき、情報処理を行う超高速集積・極低電力システムを構成することができる。
【００２０】
また、本発明に係る弱電用良伝導性非晶質合金および強電用良伝導性非晶質合金は、配線のない理想的なネットワーク組織を有しているため、単電子の近接相互作用によって作動する量子ドットセルオートマトンになっている。平行に並んだセルオートマトンにおいて、各セル間では、隣接するセルからの静電力は働くが、電子のトンネリングは起こらず、また配線同士のクロストークも回避することができる。このように、本発明に係る弱電用良伝導性非晶質合金および強電用良伝導性非晶質合金によれば、従来の半導体集積回路の欠点を完全に克服することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、単電子トンネリングを利用して、低温から室温を経て中温度域まで動作可能な良伝導性非晶質合金、弱電用良伝導性非晶質合金および強電用良伝導性非晶質合金を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施の形態の良伝導性非晶質合金について、四端子法により電気抵抗を測定するための電圧抵抗測定回路を示す回路図である。
【図２】本発明の実施の形態の良伝導性非晶質合金(Ni0.39Nb0.26Zr0.35)93H7 の直流電気抵抗の測定結果を示すグラフである。
【図３】本発明の実施の形態の良伝導性非晶質合金(Ni0.36Nb0.24Zr0.40)96H4 の直流電気抵抗の測定結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、図面に基づき本発明の実施の形態について説明する。
図１乃至図３は、本発明の実施の形態の良伝導性非晶質合金を示している。
本発明の実施の形態の良伝導性非晶質合金は、以下のようにして作成される。
【００２４】
まず、Ar雰囲気下で、任意の組成にアーク溶解した合金インゴットから、冷却速度〜106 m/sの単ロール液体急冷法にてリボン状試料を、双ロール液体急冷法にてリボン状（薄膜）試料を、または、ダイス引張り法にて線材を作成する。次に、電気分解法、ガス雰囲気法またはイオン注入法により水素のチャージを行う。電気分解法は、常温下、0.5M H2SO4に1.4 g/lチオ尿素を添加した溶液中で、電流密度30 A/m2の条件で行った。ガス雰囲気法は、200〜300℃、一気圧の水素雰囲気中、１時間の条件で行った。
【００２５】
このようにして作成された非晶質合金の例を、表１に示す。水素の定量は、不活性ガス搬送熱伝導度法によった。表１に示す非晶質合金では、水素チャージにより、金属クラスター間に自己組織化的に水素が固溶し、〜1.5 at．％の自由体積（原子空孔）を有する集積微細構造(セル)が形成されている。なお、本発明が適用される材料は、請求項において包含される全ての金属元素が対象であり、表１に記載された材料に限定されるものではない。
【００２６】
【表１】
2011144416.tif 000003
【００２７】
作成された非晶質合金は、伝導島を有する孤立した複数の金属クラスターが、サブナノスケールの絶縁層を介して連続して連なった集積ナノ構造を有しており、電子が伝導島を介して各金属クラスター間を無抵抗でトンネリングするよう構成されている。また、各金属クラスター間にサブナノスケールサイズの原子空孔が均一に分布しており、各金属クラスターがより低級なボルドヌイクラスターで結合されている。
【００２８】
生成された非晶質合金は、直流でも交流でも、ノイズも熱の発生もない、極めて伝導性の良いバリスティック（弾道）伝導を示す。また、低温から室温、さらにはガラス転移点直下の中温度において、クーロン島がナノメートルサイズまで小さくなって集積されており、単電子トンネリングを利用して、低温から室温を経て中温度域まで動作可能になっている。この非晶質合金は、各金属クラスターをナノスケールからメートルスケールの範囲で連続して連なるよう形成可能であり、電子が各金属クラスター間をナノスケールからメートルスケールまで巨視的協同現象によりトンネリング可能である。
【００２９】
表１に示す本発明の実施の形態の良伝導性非晶質合金は、金属クラスターのネットワーク組織が規則正しい構造を有しているため、細線ネットワーク配線も兼ねることができる。このため、電気抵抗が極めて小さい材料として使用することができる。また、個々の分岐スイッチには、ソース・ドレイン電極がないため、配線の問題が起こらず、ナノサイズの高密度集積化にも適している。このため、電子回路の配線、電極・照明材といった弱電用材料として、情報処理を行う超高速集積・極低電力システムに使用可能である。また、送電線、発電・電動・変圧捲線材といった強電用材料としても、使用可能である。
【００３０】
このように、本発明の実施の形態の良伝導性非晶質合金は、弱電用または強電用材料として使用する場合、配線を必要とせず、トンネル電流の漏洩もないことから、電子輸送の機能化を最大限に利用でき、情報処理を行う超高速集積・極低電力システムを構成することができる。また、配線のない理想的なネットワーク組織を有しているため、単電子の近接相互作用によって作動する量子ドットセルオートマトンになっている。平行に並んだセルオートマトンにおいて、各セル間では、隣接するセルからの静電力は働くが、電子のトンネリングは起こらず、また配線同士のクロストークも回避することができる。このため、従来の半導体集積回路の欠点を完全に克服することができる。
【実施例１】
【００３１】
表１中の番号１の試料を用いて、図１に示す実験回路にて、直流下１mAで四端子法により電気抵抗（Resistivity）を測定し、その測定結果を図２に示す。図２に示すように、室温から冷却する（cooling）と、約２４０Ｋで0.01μΩcmのオーダーまで電気抵抗が急激に低下し、その後、１００Ｋ付近まで徐々に低下していくことが確認された。さらに冷却すると、６３Ｋで電気抵抗の谷（最低値）が認められ、その後、温度の低下とともに、0.01μΩcmのオーダーまで回復することも確認された。
【００３２】
また、極低温から加熱する（heating）と、５１Ｋで最低値を示す他は、電気抵抗は冷却時と同様のカーブを描き、３４１Ｋまで加熱すると、冷却前の電気抵抗に上昇することが確認された。３００Ｋでの電気抵抗は、約0.12μΩcmであり、室温での銀の電気抵抗（約1.62μΩcm）の約１／１４になっている。図２に示すように、この非晶質合金は、低温から室温を経て３５０Ｋ程度の中温度域まで、銀よりも極めて伝導性の良い、バリスティック（弾道）伝導を示すことが確認された。
【実施例２】
【００３３】
表１中の番号２の試料を用いて、実施例１と同一条件で電気抵抗（Resistivity）を測定し、その測定結果を図３に示す。図３に示すように、極低温から加熱する（heating）と、約１２４Ｋで電気抵抗が約３桁低下することが確認された。３００Ｋでの電気抵抗は、約0.07μΩcmであり、室温での銀の電気抵抗（約1.62μΩcm）の約１／２０になっていることが確認された。図３に示すように、この非晶質合金も、低温から室温を経て３５０Ｋ程度の中温度域まで、銀よりも極めて伝導性の良い、バリスティック（弾道）伝導を示すことが確認された。
【図１】
2011144416.tif 000004
【図２】
2011144416.tif 000005
【図３】
2011144416.tif 000006