常圧大気下で簡便に合成できる
ホウ素二次元シートの機能開拓

東京工業大学 科学技術創成研究院
化学生命科学研究所
助教 神戸 徹也

背景技術：原子層物質
グラフェン・ディラック電子・高機械強度

等

Science, 2004, 306, 666.

グラフェン類縁体
ホウ素原子層シート・二層グラフェン・酸化グラフェン
・グラフェンナノリボン

グラフェンと同じように層状化合物であるMgB2やNbB2なホウ素がハニカム構造を形成 どの二ホウ化物に含まれている

背景技術
ボロフェン

電子不足による弱い層間結合が期待高い機械強度とフレキシビリティ
B36

Nat. Comm., 5, 3113 (2014)

本研究

Nat. Chem., 8, 563, (2016)

ホウ素単体では平面形状が不安定

酸素の導入による安定な新規ボロフェン誘導体の液相合成
デバイス機能、電気機能の発現

ホウ素層状結晶の形状観察とナノシート生成
FE-SEM観察

ホウ素結晶

HOPG

平滑な表面を持つシートが観察
伸長方向に層状構造が発達

ホウ素層状結晶の構造
単結晶X線構造解析
Side viewcaTop viewbbｃ
FormulaWeightCrystal System
Lattice Type
Lattice Param.

Space GroupZ value
Dcalc
F000

BO
K

B4.27KO3
133.26
Hexagonal
Primitivea = 6.0720(6) Åc = 3.4690(3) ÅV = 110.764(18) Å3P-62m (#189)
1
1.998 g/cm364.35a

BとOによるボロフェンに似た単原子層
ホウ素原子層シートとK+が交互積層
初のボロフェン誘導体の合成と結晶化に成功

機械的剥離によるナノシート化
TEMグリッド

グリッド表面に付着した結晶片をTEMで観察

ホウ素結晶
TEM観察

高分解能観察cal. 0.347 nm
0.343 nm原子層シートの積層
薄いナノシートの生成を観測

ホウ素シート面内方向の成分を含む格子

機械的な圧力による容易なナノシート剥離を確認

溶媒によるナノシート化
ナノシート化
DMF

キャスト
HOPG

AFM観察

単層シートACBD20nm

200 nmJACS 2019 ASAP

ホウ素シートの有用性について
ホウ素結晶①液晶性半導体とみなせる

液晶性を利用した配向膜作成が可能

特徴①液晶性②アニオン性原子層デバイス応用へ期待できる②スイッチング、on/offが可能
ホウ素シートグラフェン / ボロフェン

結晶の伝導特性：面間方向

70-4.4面間・アレニウスプロット

60T (K)

50

4030

3.1

3.2

3.3-4.5log（σ）-4.6-4.7-4.8

y = -1.08x - 1.49-4.9

R² = 0.964-5.0-5.1-5.2

2.8

2.9

31000/T (K-1)

3.49

結晶の伝導特性：面内方向・アレニウスプロット

80-6.00

70T (K)6050

面内40log（σ）-7.00

温度依存が見られない-7.50-8.00

ホウ素結晶y = - 7.0792

2.82.931000/T (K-1)

3.1

くし形電極

-6.50

3.2

長さ = 約70 µm

10面間方向と面内方向の温度依存性の比較
3.5E+06

面間3.0E+06

2.5E+06

2.5E+06

2.0E+06

2.0E+06
1.5E+06

1.5E+06

333K
322K
311K
303K

1.0E+06
5.0E+05
0.0E+00
0.0E+00

面内-Im(Ω)-Im (Ω)3.0E+06

3.5E+06

1.0E+06

Re (Ω)

1.0E+06
5.0E+05
0.0E+00
0.0E+00

温度に依存し伝導度が変化

異方的な伝導性を持つ

353K
345K
338K
332K
318K
1.0E+06
Re(Ω)

温度依存性が低い→金属的な伝導11ボロフェン誘導体の合成、ナノシート化を達成
ホウ素原子層ボロフェン

初めてボロフェン誘導体の合成に成功

容易なナノシート剥離を実証

弱い層間結合を利用したデバイス化

液晶の誘電率測定用セル
N2下

液晶

封止
液晶

スペーサー

電極

ボンド

側面図
サンプル

精密LCRメータ

サンプル

ハンダ付け

ホットプレート

LOW

真空加熱

液晶

ホウ素液晶の誘電率特性1000000

5 mV,10 kHz

100000

参考

10000

チタン酸バリウム
3000-12000

εr'

1000
100

水

8110雲母1

空気 1.00100
200Temperature / ℃

300

・10万に近い比誘電率・液晶相転移に伴う1万倍を超える比誘電率変化

新技術の特徴・従来技術との比較
特徴• 常圧・大気下でホウ素と酸素からなる原子層物質の合成に成功。
• 多積層結晶の異方的な電気特性を解明により新機能の発現。
• 原子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で単層化しやすい。
従来技術との比較• ボロフェンが、グラフェンを超える強度や高いフレキシビリ
ティから注目されている。しかしながらボロフェンは大気下で直ちに分解することから実用化は不可能と考えられていた。本技術は、常圧・大気下で合成でき、さらに液相合成法による大量合成も可能となる。

想定される用途
ディスプレ－、電子デバイス、自動車用途、有機ELは、米国、中国、韓国、欧州が主な市場である
用途分野

ホウ素シ－トホウ素液晶の特徴

具体的な用途液晶ディスプレ－フレキシブル

広範囲な
安価
温度範囲

特殊な医療用途や産業パネル用途

電子デバイス材料

移動度

導電性

安価

半導体材料用途、調光フィルム

自動車用液晶ポリマ－ 耐熱性

誘電体

安価

従来のポリマ－にブレンドする

有機EL発光材料

広範囲な波長波型波形 安価
範囲

発光素子

リチウムイオン電池

高いエネルギ
－密度

正極材料

安価

実用化に向けた課題
・液晶性、導電性・誘電特性、発光特性など、様々な機能を検証しているが、具体的なデバイスや材料としてどのように使用できるかの検証ができていない。
・さらなる低コストを目指した大量合成技術の構築が必要である。
・触媒活性など、他の有用物質とブレンドすることで、新たな機能の開発が必要である。

企業への期待・材料やエレクトロニクスデバイス技術を持つ企業
から、具体的なデバイスや材料として、どのように使用できるかの検証を共同研究で確認することを希望。
・ホウ素結晶の大量合成技術の構築の実施を希望。
・企業の望む新たな機能の提示と、それに対する両者の共同研究を希望。

本技術に関する知的財産権• 発明の名称 ：ホウ素原子層シートおよび積層シートとその製造方法• 出願番号 ：特願2018-020443 PCT/JP2019/003380• 出願人：東京工業大学• 発明者：神戸徹也、今岡笙太郎、渡邉藍子、山元公寿• 発明の名称 ：ホウ素原子層シートおよび積層シートの液晶• 出願番号：特願2019-005297• 出願人：東京工業大学• 発明者：神戸徹也、今岡笙太郎、山元公寿

お問い合わせ先
東京工業大学
研究・産学連携本部
ＴＥＬ 03-5734-2445
ＦＡＸ 03-5734-2482
e-mail sangaku@sangaku.titech.ac.jp