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均一組成In0.3Ga0.7As単結晶育成研究
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この研究では，これまで地上では成長困難だった均一組成結晶を得るための熱・物質輸送の制御法についてモデル化を行い，成長法として確立しました。また，In0.3Ga0.7As(インジウム・ガリウム・ヒ素)は，次世代光通信用半導体レーザーのウエハーとして期待されている半導体です。InGaAsをウエハーとして用いると，現在主流の都市間光通信用レーザーよりも高温(70℃以上)での出力劣化が小さく，冷却装置無しで安定に動作可能と考えられています。しかし，InAsとGaAsが混じり合っているため，ウエハー面内での均質性を実現することが難しい結晶でもあります。そのため，これまでは長さ約５mmで，あまり均質ではない結晶しか得られませんでした。これに対し，我々は均一組成を得るためのモデル化を行い，そのモデルに基づいて結晶成長を行いました。具体的には，InAsを帯状に溶融させ，さらに試料径を２mmと細くして，対流を抑制しながら熱・物質輸送を制御しました。これにより，35mm以上の長さにわたりInAs組成が0.30±0.01と極めて均質な単結晶育成に，世界で初めて成功しました(図１，図２)。現在，微小重力を利用して，直径１cm以上の半導体を育成する実験を計画・立案しています。同時に，地上でも５mm角程度の大きさであればウエハーの製造が可能であると考え，地上での結晶の大型化に取り組んでいます。成功すれば，微小重力環境利用の成果を社会へ還元する画期的な事例となります。
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| モデルが予測した通りに25mm以上の長さにわたり均一組成単結晶が育成されている。 |
生体高分子結晶成長機構解明研究
この研究では，先ほどの半導体結晶成長における巨視的なモデル化と異なり，科学的課題が多く存在する原子・分子レベルでの微視的結晶成長機構を調べています。モデル物質として蛋白質を用いていますが，これは巨大分子であるため観察が比較的容易であることに加え，我々にとって身近かつ重要な物質であるためです。例えば，生物は約10万種もの蛋白質を作っています。そして，これらの蛋白質の分子構造と機能を解明することにより，疾病の診断・治療法の開発，医薬品開発，食品開発などが可能となります。蛋白質分子の構造解明には，通常X線による結晶構造解析を行います。しかし，高精度に構造を決定するためには，高品質な蛋白質結晶が必要です。高品質結晶育成には，対流を抑制することが最も効果的と考えられ，諸外国の宇宙機関を含めてこれまで１万サンプル以上の宇宙実験が行われてきました。しかし，品質向上の比率は半分に満たず，高品質化のためのメカニズム解明が必要になってきました。前述の通り，蛋白質分子は一万から数十万程度の分子量であるため，分子レベルの観察が容易です。また，試料によっては一分子の観察も不可能ではありません。そのため，原子間力顕微鏡(AFM)を用いれば，蛋白質分子の成長界面への取り込みなどの微視的な挙動を観察可能と考えています。現在AFMを用いて，結晶表面観察やステップ前進速度計測などを行っています。また，界面濃度計測，結晶欠陥観察，X線による品質評価なども並行して行い，これらのデータを用いて，体系的なメカニズム解明を目指しています。これまでに得られた結果の一例として，不純物の取り込みによる結晶表面の荒れを図３に示します。
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