使える新しい機能材料とデバイスの開発

室温で作っても高性能なアモルファス酸化物半導体（AOS)
 2004年以前は、Si, GaN や ZnO のような結晶でないと「良い半導体」はできないと信じられていました。 それに対して私たちは、 In-Ga-Zn を成分とする酸化物 IGZOが、 アモルファスであるにもかかわらず、 高性能なトランジスタを作れることを実証し、図(上）のような 透明でフレキシブルな高性能トランジスタを発明しました。 この技術は、 iPad, Surface Pro4 や 88型8L有機EL TV などに使われています。 さらに最近では、図(下)のように、世界で初めて無機の発光薄膜の室温形成に成功し、 有機ELを超える新しい発光デバイス・ディスプレイの実現も視野に入ってきました。
[関連論文] K. Nomura et al., Nature (2004), Science (2003)., K. Ide et al., Appl. Phys. Lett. (2022).
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今まではできないと信じられてきた材料を実現

バンドギャップが 4 eV 以上のアモルファス半導体
 上でも述べたように、アモルファス半導体の特性は良くないと信じられてきました。 私たちはこの迷信を AOS によって覆したわけですが、次には「バンドギャップの大きいアモルファス半導体は作れない」という迷信がありました。 私たちは, アモルファス酸化物におけるドーピング機構と欠陥をきちんと理解することにより、 バンドギャップ 4.12 eVのアモルファス酸化物半導体a-Ga-O(右図)の開発に成功しました。超ワイドバンドギャップAOS薄膜を用いたパワーデバイス応用が期待できます。
[関連論文] J. Kim et al., NPG Asia Mater. (2017).

コンピュータを利用して科学者の常識を覆す新しい材料の設計

絶縁体と信じられていた元素から半導体を創る
 新しい材料を見つけるというのは、大変な仕事です。化学組成を変えてたくさんの物質を合成するというのは有効な研究方法ですが、新材料は、行き当たりばったりに材料合成をしても見つけることはできません。当研究室では、「なぜこの材料がいい特性を示すのか」を理解し、「もっと特性をよくするためにはどうしたらよいのか」を予測（期待）し、「実際に材料を合成して確かめる」というプロセスで研究を進めています。分子動力学法、第一原理量子計算、機械学習やデバイスシミュレーションなどのコンピュータ支援と、材料研究者としてのひらめきを組み合わせ、教科書に書いてあることを超える新しい材料を設計、開発しています。
例えば、酸化Geや酸化Siは 6 eV 以上の大きなバンドギャップを持ち、非常に良い絶縁体として知られています。 しかし、図のような量子計算によって電子構造を正しく理解すると、 立方晶構造の SrGeO₃ はバンドギャップが 2.7 eV へ、BaSiO₃も4.1 eVへと極端に小さくなり、 良い透明導電体になることが予測されました。前者は実験的にも実現しました。 このように、計算機シミュレーションを援用することにより、物質に関する新しいセンスを身につけ、 画期的な新材料を開発することが可能になります。
[関連論文] H. Mizoguchi et al., Nature Commun. (2011)., A. Shiraishi et al., Inorg. Chem. (2022), X. He et al., Chem. Mater. (2024).