JST新技術説明会
2021年 10月5日, オンライン開催

15:30
海洋細菌に化合物半導体結晶を合成させる技術

広島大学
大学院先進理工系科学研究科
准教授 富永 依里子
本成果は、広島大学 大学院統合生命科学研究科 岡村好子教授との共同研究によるものです。

発表者の専門内容
結晶工学、電気・電子材料工学
 光通信帯光源が利用可能なテラヘルツ波発生検出素子の開発
 IoT社会を支える高速大容量光通信用半導体レーザの開発

GaAs系III-V族半導体混晶の分子線エピタキシャル（MBE）成長

2

現代社会を支える様々な半導体デバイス

http://japan.pvpowerway.com/
http://av.watch.impress.co.jp/

http://anaudio.
ocnk.net/

http://tokyodevices.jp/

http://circit-e.com/
3 3

本発表の概要
1. 研究背景 バイオミネラリゼーションを用いた材料合成法の開拓
 本研究目的：化合物半導体成長への応用
2. 実験方法
 菌の採取・培養・菌叢解析
 化合物半導体の合成・物性評価
3. 結果
 透過型電子顕微鏡観察・X線回折法
 PbS, CdS, InGaAs
4. まとめ：今後の展望

4

研究背景：生物が鉱物を作り出す反応
 バイオミネラリゼーション• 真菌（カビ）• 磁性細菌生物制御
サイズ、形態

様々な種類の磁性細菌

磁鉄鉱（マグネタイト, Fe3O4）
加藤隆史 監修、「バイオミネラリゼーションとそれに倣う新機能材料の創製」、第1章、シー
エムシー出版、2007年.

Fusarium oxysporum

生物誘発

CdTe

A. Syed, et al., Spectrochim. Acta Pt. A: Mol.
Spectrosc., 106 (2013) 41.

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現在の“結晶成長方法”← 有機金属気相成長装置↓ 分子線エピタキシャル成長装置
http://www.helmholtz-berlin.de/

 大型 高コスト 多量の電力消費 危険ガスの使用
6半導体産業に潜む課題
2017年9月8日付 日本経済新聞「2030年代半ば以降、耐用年数の過ぎたパネルの大量廃棄が見込まれる。」
総務省：回収やリサイクルの仕組みを法整備も含めて検討するよう環境、経済産業両省に勧告← Si, Pb, Se
LED：GaAs/AlGaAs, InGaN/GaN等
光通信用半導体レーザ：InGaAsP
トランジスタ：GaAs/AlGaAs, AlGaN/GaN等
その他太陽電池 (米・First Solar)：CdTe等

7新しい結晶成長技術の創出に向けてバイオミネラリゼーションを基軸とした電子材料の合成法の開拓

先行研究• CdS: C. T. Dameron et al., Nature, 338, 596 (1989)• PbS: M. Kowshik et al., Advanced Materials, 14, 815 (2002)
他

想定される用途・作り上げたい循環過程レアメタル・レアアース回収毒物・劇物回収
超省エネルギー材料合成技術

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想定される用途・作り上げたい循環過程10本研究の目的細菌を用いて合成した化合物半導体の結晶性を明らかにする。
• IV-VI族半導体：PbS• II-VI族半導体：CdS• III-V族半導体：InGaAs
特に未開拓のIII-V族化合物半導体の細菌による合成に着目。
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実験方法：菌の採取
広島福岡県

愛媛県

福岡広島

東京
© Google

PbSの場合
硫酸還元によりPbSを形成する海洋性細菌を分離

SO42- + 8H+ + 8e- → S2- + 4H2O
Pb2+ + S2- → PbS↓

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実験方法：菌の採取 (PbS)
SO42- + 8H+ + 8e- → S2- + 4H2O
Pb2+ + S2- → PbS↓
PS株2PS株1
透過型電子顕微鏡(TEM) 像300

300

C

エネルギー分散型
X線分光 (EDS)

O100

CuSPb
P Cl
NaSPb

100

Cr00200

CountsCounts200

C5000

eV (eV)
EnergyCu10000

CuOPb

P Cl
00Cr5000CueV (eV)
EnergyPb

10000

13培養条件
 培養条件光合成細菌最少培地 (RCVBN培地) 580 mL• 酢酸鉛 (CH3COO)2Pb• 硫酸ナトリウム Na2SO4
明所・常温で静置培養1週間

PS株1PS株2
1 week細菌による結晶成長 (PbS)：TEM像

Pb2+濃度
500 μM

200

細胞外で球状のナノ微結晶PbSの形成を確認

放射光XRD

PbS由来の回折ピークのみを確認

測定は東北大学・真木祥千子 講師による (SPring-8 BL44B2)

Pb2+濃度による粒径の制御
Pb2+濃度

4.4 nmPS1株
500 μM

5.5 nm10.65 nm

PS1株
1 mM

細菌による結晶成長：薄膜化へ
220
111
200

PbSの薄膜化(面積増)を確認

菌の培養：CdSの場合
SO42- + 8H+ + 8e- → S2- + 4H2O
Cd2+ + S2- → CdS↓
光合成細菌最少培地 (RCVBN培地)• 塩化カドミウム CdCl2• 硫酸ナトリウム Na2SO4
Cd2+：終濃度500 µM
無機的に生じた黄色沈殿
ではないことを確認
Cd2+CS株119

CS株1が細胞外に形成したCdS
SCd

銅グリッド由来

500 nmCS株1が細胞外に形成したCdSのTEM像

50 nm
5 nm

CS株1が形成したCdSのXRDパターン
スライドガラス（ネガティブコントロール）

CS株1由来の鉱物

立方晶系CdS (Hawleyite*) の回折パターンと一致*R. Traill, and R. Boyle, Am. Mineral., 40 (1955) 555.

実験方法：菌の採取・使用した溶液

 玄界灘 (北九州市)
 瀬戸内海の小島 (愛媛県今治市)
III-V族化合物• As: KH2AsO4, ヒ酸カリウム• Ga: Ga(NO3)3・nH2O, 硝酸ガリウム• In: InCl3, 塩化インジウム
各金属イオン終濃度 1 mM

アンサンブル
環境下での合成次世代シーケンスによる菌叢解析
光合成細菌 Marichromatiumを含む菌叢

特開2020-22400, 「ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体を生成する微生物」

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細菌によるIII-V族化合物の成長：TEM観察
EDS分析

1 μm
Ga, InとAsの同時取り込みを確認
特開2020-22400, 「ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体を生成する微生物」

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細菌によるIII-V族化合物の成長：TEM観察

1 μm
一部格子縞を確認
特開2020-22400, 「ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体を生成する微生物」

5 nm

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Intensity (arb. units)

III-V族化合物の場合：XRD

スライドガラス＋グリスGa＋In＋As 試料

2040602Theta/Theta (degree)

80(Invited) Y. Tominaga and Y. Okamura, O12-3, Marine Biotechnology Conference 2019, Shizuoka, Japan. 26

XRDピークがなぜ確認できないか

Intensity (arb. units)

シェラーの式：B = Kλ / Dcosθ
B：回折広がり
D：結晶の大きさ

2040602Theta/Theta (degree)

80(Invited) Y. Tominaga and Y. Okamura, O12-3, Marine Biotechnology Conference 2019, Shizuoka, Japan. 27

III-V族化合物の光吸収スペクトル(hνα)2 (eV2cm-2)

3x104

2x104

1x104

0
1.2

1.3

1.4

Photon energy (eV)

1.5

1.6(Invited) Y. Tominaga and Y. Okamura, O12-3, Marine Biotechnology Conference 2019, Shizuoka, Japan. 28

光吸収端O. Madelung, “Semiconductors –Group IV Elements and III-V Compounds-”,
pp. 151 (1991).

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本技術の特長・従来技術との比較

 海洋細菌を用いた安全かつ低コストな金属回収・半導体合成技術
海から採取した細菌を用いるため、人体に無害で安全かつ合成プロセスにおけるコスト削減に寄与

 海洋細菌を用いた二酸化炭素排出量を抑制した
資源循環サイクルの確立
結晶の合成は細菌が生存する水溶液中にて常温常圧で行う
ため、多量の電力を必要としない

 様々な化合物半導体結晶の新規合成技術
現時点でPb系、II-VI族、III-V族化合物を達成
特にIII-V族は初の成果
30実用化に向けた課題・企業様への期待＜本研究＞• II-VI族ならびにIII-V族元素を回収する細菌の存在を確認
 課題と期待1. 周期表上のあらゆる元素の回収を細菌で網羅することは可能か？
2. 実際の廃液を用いた回収実証実験、コスト算出＜企業様へ＞• 検討されたい元素や廃液がございましたらご相談させていただけましたら幸いです31

本技術に関する知的財産権• 発明の名称 ：ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体を生成する微生物• 出願番号：特願2018-149009（特開2020-022400）• 出願人：国立大学法人広島大学• 発明者：岡村好子、富永依里子、清水稜

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お問い合わせ先

広島大学
産学連携推進部 産学連携部門
特命准教授
久保田 旭（くぼた あきら）
TEL：082-424-4482 FAX：082-424-6189
E-mail：akirak@hiroshima-u.ac.jp

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