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本質的に伸縮可能な2D MoS2トランジスタ

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皮膚のように伸びる電子機器

フィットネストラッカー、医療用パッチ、あるいはソフトロボットの電子回路が、ゴムのように曲がり、ねじれ、伸びても計算能力を失わないと想像してください。本論文は、モリブデン二硫化物（MoS₂）という材料の極薄フレークから作られた新しいタイプのトランジスタ、すなわち電子機器の基本的なオン／オフスイッチを説明します。これらのデバイスは伸張しても高速性と信頼性を保ち、布地のように感触が柔らかい将来のウェアラブル機器やフレキシブルディスプレイの可能性を示しています。

伸縮する回路を作る難しさ

現在のチップは剛直なシリコン上で作られており、皮膚が裂ける前に材料自体が割れてしまいます。エンジニアは剛性材料を蛇行状や切り絵（切り込み）パターンにしてばねのように伸ばせるようにするなどの回避策を講じてきました。これらは巧妙ですが製造を複雑にし、部品の高密度配置に制約を与えます。本当に「本質的に（intrinsically）」伸縮可能なエレクトロニクスは、導体・絶縁体・半導体といったすべての能動層自体を柔らかく伸縮可能にすることを目指します。問題は、半導体を十分に柔らかくして伸ばせるようにすると、通常は高度な計算に必要な高性能を失ってしまう点です。

繊維やプラスチックではなくフレークを使う

これまで、本質的に伸縮可能なトランジスタは主に二つの材料群に依存してきました：電荷を伝える柔軟なプラスチック半導体とカーボンナノチューブのネットワークです。プラスチック半導体は伸びますが、速度やスイッチの鋭さを犠牲にしがちです。ナノチューブネットワークは電荷を速く運べますが、オフ時の漏れ電流が大きく、n型動作に調整するのが難しく、完全な論理回路を作るのに不利です。

Figure 1
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著者らは別の選択肢、すなわち溶液処理されたMoS₂のフレークに注目します。MoS₂は原子数個分の厚さの二次元結晶で、これらの小さな板状片が薄膜中で重なり合うと、カードを束の中で滑らせるように応力下で互いにすべり、膜が伸びても電流を通すことができます。

ウェーハスケールで伸縮可能なトランジスタを作る

これらのフレークを実用的なデバイスにするために、研究チームはすべての部分が変形可能な多層スタック構造を設計しました。ゴム状ポリマーが基板兼封止層を形成します。その間にゲート、ソース、ドレイン電極用の伸縮可能な金属ネットワークと、比較的低電圧でスイッチできるよう工夫された柔らかい絶縁層が配置されます。MoS₂フレークはまず品質確保のために硬いウェーハ上で処理と熱処理を受け、損傷なくやさしく剥がして柔らかいスタックに転写されます。標準的なフォトリソグラフィーを用いて、研究者らは業界標準の8インチウェーハ上に数千個のトランジスタをパターニングし、現代の製造法との互換性を示しました。

伸張しても高速性を維持する

得られたn型トランジスタは、この種の柔らかいデバイスとしては印象的な数値を示します：電子移動度（電荷がどれだけ速く動くかの指標）は平均で約8 cm²/V·s、最大で12.5 cm²/V·sに達し、オン／オフ電流比は1,000万を超えます。重要なのは、これらの数値がデバイスを電流方向に沿って引っ張る場合でも横方向に引っ張る場合でも、20%の伸張下で維持されることです。場合によっては、わずかな伸張が性能を向上させることさえあり、これは穏やかな張力がMoS₂の電子構造を微妙に変化させて電子の移動を助けるためと考えられます。トランジスタはまた、15%のひずみで少なくとも200回の伸張・解放サイクルをほとんど変化なく耐え、柔らかいスタックが繰り返し変形しても破損しないことを示しています。

フレークはどうやって応力を吸収するか

薄膜内部で何が起きているかを観察するために、著者らは光学顕微鏡とラマン分光（結晶格子の振動“指紋”の微小な変化を追跡する手法）を用いました。

Figure 2
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低ひずみでは、MoS₂フレークは主にすべりと再配列によって応力を拡散させ、亀裂を形成しません。フレークが厚く積み重なった領域にはより多くの張力がたまり、約10%を超えるとこれらの厚い部分で亀裂が生じ始め、導電経路が徐々に弱まります。しかし20%までなら重なり合うネットワークはトランジスタが正常に機能するのに十分連続性を保ちます。おおむね25–30%を超えると亀裂が多数発生し、電気的性能が低下してひずみを解放しても完全には回復しなくなります。これは、伸縮性をさらに高めるにはフレークのサイズ、厚さの均一性、MoS₂と金属電極間の接触を慎重に制御することが重要であることを示しています。

将来のウェアラブル技術にとっての意義

一般読者向けにまとめると、本研究は2D結晶材料を用いた高性能で完全に伸縮可能な電子スイッチを作る現実的な手法を示したということです。彼らのMoS₂フレークトランジスタは、皮膚や可動部に適合する柔らかさと、高度な電子機器に期待される低漏れ・高速度を兼ね備えています。さらに大きな伸張や数百万回のサイクルに耐えるためには追加の研究が必要ですが、このアプローチは重要なギャップ、すなわちソフト論理回路のための信頼できるn型ビルディングブロックを埋める助けになります。いずれ同様のデバイスが、快適な医療モニター、電子皮膚、我々とともに動く変形可能なガジェットの基盤を形成する可能性があります。

引用: Kim, K., Kuzumoto, Y., Jung, C. et al. Intrinsically stretchable 2D MoS2 transistors. Nat Commun 17, 1796 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68504-2

キーワード: 伸縮可能なエレクトロニクス, MoS2トランジスタ, ウェアラブルデバイス, 2次元材料, ソフト回路