长田实
名古屋大学未来材料与系统研究所教授
2020年～2023年 A-STEP研究负责人
“创新日本走访”系列为大家介绍为实际应用于社会而进行研发的一线。本文为该系列的第4回，将介绍名古屋大学未来材料与系统研究所的长田实教授致力于超薄纳米片、高速薄膜制造方法以及创新介电材料和器件等有助于资源和能源节约的研发历程。
为世界创造有用的材料
以全新工艺为桥梁
名古屋大学的未来材料与系统研究所通过研究开发尖端材料和设备的基础技术及系统技术，为实现环境友好型和可持续发展社会做出了贡献。它是名古屋大学中规模最大的跨院系跨学科联合研究促进组织，其目标是开创新的学术领域和构建新的学术体系。
长田实教授自2018年以来一直在该研究所从事“纳米片”的研究开发工作。纳米片是一种厚度为几个原子，约1纳米（十亿分之一米），横向尺寸是厚度的数千至数万倍的片状物质。虽然根据原子的类型和结构有所不同，但因其具有高速电子传导、高电感性、催化活性等优异功能，因此正被用作功能性薄膜。
长田教授在A-STEP（研究成果最佳展开支援计划）“利用纳米片技术开发创新介电材料和设备”项目中承担了材料、工艺和器件3个研究主题。具体为包括超薄纳米片的合成、高速薄膜制造方法的开发以及电介质电容器的开发。长田教授强调了将从材料到器件开发进行综合考虑的重要性：“为了创造出对社会有用的材料，我认为应以新工艺为桥梁，以制作功能性器件为最终目标”。
低温合成纳米片
确认能维持强介电性
纳米片的开发以合成薄且具有储存电力的“介电性”特性的氧化物纳米片为目标。电子元件等中使用的纳米片必须具有能够存储大量电力的介电性，而传统材料在变薄时会出现介电性消失的“尺寸效应”。此外，由于本次使用的钛酸钡（BaTiO₃）在结构上无法使用常规的剥离和合成方法，因此需要开发新的合成方法。
为此，长田教授将目光转到了纳米片的高反应性上。使用厚度为1纳米的氧化钛（TiO₂）纳米片，探讨了通过表面反应诱导产生结构变化形成BaTiO₃的模板合成法。在水和乙醇的混合溶液中，通过使TiO₂纳米片与氢氧化钡产生反应合成出了BaTiO₃纳米片。此外，还确认了这种纳米片能在厚度为1.8纳米时仍保持介电性能，直到在厚度为1.4纳米时消失（图1）。
图1 BaTiO₃纳米片的合成及介电性
BaTiO₃纳米片合成示意图（a）。利用压电响应测量单个纳米片的介电性能（b）。在相当于三个原子厚度的1.8纳米的纳米片中，观察到了介电性特有的压电响应曲线。
通常，BaTiO₃的合成需要在1000度或更高的温度下烧制，而本次却是在60度的低温下合成的。长田教授回忆起当时所经历的困难时说道：“虽然我知道可以在更低的温度下合成，但没想到会这么低。由于未能难摆脱先入之见，所以经历了多次反复尝试才得以成功”。
简直是“哥伦布的鸡蛋”
成功建立自动成膜法
开发纳米片工艺的目标是成膜的高速化和大面积化。通常，纳米片成膜通常采用兰慕尔-布罗吉（Langmuir-Blodgett）法，将纳米片的胶体水溶液铺展在浅盘中，并将在气液界面扩展开来的薄片聚集起来形成薄膜。但是，这种方法不仅需要熟练的操作和复杂的条件设置，溶液用量大，而且单层成膜需要一小时左右，成为了工业化制造的瓶颈。
另一方面，滴下胶体水溶液并干燥的滴涂法会形成不均匀的膜。就在长田教授寻找其它方法时，偶然发现了解决方案。长田教授介绍道：“当时一名学生觉得‘溶液太浪费了’，于是在滴下后立即用移液器吸取了溶液，于是发现在几秒钟就形成了具有完美二维结构的薄膜。简直就是哥伦布的鸡蛋（ 意为看似困难的事，往往只要换一个角度去思考，就能解决）”。研究人员立即观察并分析了这一现象，并根据这些结果成功实现了机器人滴涂和抽吸的自动化操作方法（图2）。这种自动成膜法在JST（日本科学技术振兴机构）的新技术说明会上得到了很大的反响，已经有企业来邀请做共同开发。
图2 二维纳米片的高速液相成膜
自动成膜设备整体图片（a）；用自动移液器将溶液滴到基板上并吸取便可完成成膜（b）；用原子力显微镜（AFM）对薄膜质量进行的评估显示，纳米片就像扑克牌一样紧密排列在一起（c）。
世界最高的能量密度
用电介质电容器来实现
A-STEP的最终目标是开发作为新的电能储存器件而备受瞩目的“电介质电容器”。这种电容器仅需几秒即可完成充电，具有安全、使用寿命长、高功率密度等优异特性。在有望成为“终极电能存储器件”的同时，也存在本质上的问题，即无法一次储存大量能量。
一直在研究基于纳米片的电介质电容器的长田教授开发出了具有1.5～3纳米这种分子水平厚度的、兼具高介电性和绝缘性的纳米片，实现了电介质电容器中世界最高的能量密度，即每立方厘米174～272焦耳。这相当于传统介电材料的约10倍，可与锂离子二次电池相媲美（图3）。另外，长田教授还证实即使在300度的高温下纳米片也能保持性能稳定。未来这种纳米片有望应用于电动汽车的助力器等全固态电能储存器件。
图3 纳米片电容器的构造与各种电能储存器件的特性比较
实验证实，纳米片可以实现比传统电介质电容器高1～2个数量级的能量密度。
纳米技术不仅能大幅改善物质的功能和特性，构建更加繁荣的社会，而且还可以用很少的材料制造器件，非常有利于节约资源和能源。长田教授满脸笑容地表示：“正因如此，这项技术对资源匮乏的日本来说非常重要。从这个意义上来说，我认为这是一种为社会带来新价值，很有未来前景的技术”。（TEXT：横井Manami、PHOTO：伊藤彰浩）
原文：JSTnews 2023年9月号
翻译：JST客观日本编辑部
