より優れたエレクトロニクスのために材料の限界を押し広げる | マサチューセッツ工科大学ニュース

学部生の皆さん、注意してください。これらの入門クラスで学んだレッスンは、次の大きな発見をするための鍵となる可能性があります。 少なくとも、MIT の Jeehwan Kim 氏の場合はそうでした。

MIT の機械工学部および材料科学工学部の終身教員として最近就任したキム氏は、材料のナノ構造に関する数多くの発見を行い、それを次世代エレクトロニクスの進歩に直接注ぎ込んでいます。

彼の研究の目的は、シリコン固有の限界を超えてエレクトロニクスを推進することです。シリコンはトランジスタやその他のほとんどの電子素子に確実に電力を供給してきた材料ですが、より小型のデバイスに多くのコンピューティング能力が詰め込まれているため、性能の限界に達しつつあります。

現在、MIT のキムと彼の学生たちは、シリコンがなくなった場所を引き継ぐ可能性のある材料、デバイス、システムを研究しています。 Kim 氏は、その洞察を応用して、低電力、高性能のトランジスタやメモリ デバイス、人工知能チップ、超高精細マイクロ LED ディスプレイ、柔軟な電子「スキン」などの次世代デバイスの設計に取り組んでいます。 最終的には、このようなビヨンドシリコンデバイスがポケットに収まるほど小さなスーパーコンピューターに組み込まれる可能性があると同氏は構想している。

彼の研究から生み出されたイノベーションは、200 を超える米国で発行された特許と 70 の研究論文に記録されており、彼と彼の学生たちの膨大なリストは増え続けています。

キム氏は、自身の進歩の多くは大学時代に学んだ基礎のおかげだと考えています。 実際、彼は大学の教科書とノートを常に持ち歩いていました。 現在、彼は学部時代のノート（軽くて丁寧なグラファイトとインクで書かれたもの）を、MIT デスクに最も近い棚に手元に保管しています。 彼は、自分のクラスの講義やプレゼンテーション、また研究ソリューションのブレインストーミングを行うときにそれらを参照しています。

「今、これらの教科書はすべて私の頭の中にあります」とキムは言います。 「基礎を完全に理解していれば、どんな問題も解決できることが分かりました。」

根本的な変化

キムはいつも模範的な生徒だったわけではない。 韓国のソウルで育った彼は、音楽のキャリアに固執していました。 彼は歌うことに情熱を持っていましたが、高校の他のほとんどの科目には退屈していました。

「とても単調でした」とキムは振り返る。 「高校の科目に対する私のモチベーションは非常に低かったです。」

高校卒業後、彼は弘益大学の材料科学プログラムに入学しました。そこで幸運にも MIT を卒業した教授たちに出会い、その後米国で勉強するきっかけとなったそうです。 しかし、キムはそこで最初の1年間をミュージシャンとして成功しようと努めた。 彼は曲を書いて歌い、それを録音してプロモーターに送り、複数のオーディションを受けました。 しかし 1 年後、彼は電話をかけ直すことはなく、難しい質問に直面しました。

“どうすればいいですか？ それは私にとって危機でした」とキムは言う。

2 年目に、彼は材料科学に挑戦することにしました。 初めて授業に出席したとき、原子スケールでの物質の構造と挙動という主題が、もっと学びたいと思わせてくれたことに驚きました。

「1年目は授業に出なかったためGPAがほぼゼロで、退学になるところでした」とキムさんは言う。 「そして 2 年目からは、材料科学のすべての科目が本当に大好きになりました。 図書館で私を見た人々は、「ギターも持たずにここで何をしているのですか？」と驚きました。 これらの教科書を10回以上読んだはずですが、基本的なことはすべて本当に理解できたと感じました。」

基本に立ち返って

彼はこの新たに見つけた情熱をソウル国立大学に持ち込んで、材料科学の修士課程に入学し、吸収したアイデアを実践的な研究課題に応用する方法を学びました。 当時、冶金学は主要な分野であり、キムは高温合金の実験、つまり金属粉末を混合および溶解して高性能エンジンに使用できる材料を作成する任務を与えられました。

修士課程を修了した後、キムは海外で博士号の取得を続けたいと考えていました。 しかし、そのためにはまず兵役に就かなければなりませんでした。 その後 2 年半を韓国空軍で過ごし、航空機の整備と給油、部品の在庫管理を手伝いました。 その間ずっと、彼は海外の大学院への入学願書の準備をしていました。

2003 年に勤務を終えた後、海外へ向かい、カリフォルニア大学ロサンゼルス校の材料科学大学院プログラムにフェローシップで入学することができました。

「初日に飛行機から出て寮に行ったとき、人々はバルコニーでコロナを飲み、音楽を演奏していました。そして素晴らしい天気だったので、ここが私がいるべき場所だと思いました！」 キムさんは振り返る。

博士号を取得するために、彼は電子材料の微細な世界に飛び込み、電子材料を操作してより高速なエレクトロニクスを作成する方法を模索し始めました。 このテーマは、当時多くのコンピューティング技術革新が生み出されたベル研究所に以前勤務していた顧問の焦点でした。

「私が読んでいた論文の多くはベル研究所やIBM TJワトソンのもので、とても感銘を受けて、本当にそこで科学者になりたいと思いました。 それが私の夢でした」とキムは言います。

博士課程の期間中、彼はキムが読んでいた論文にその名前が何度も登場していたIBMの科学者に連絡を取った。 キム氏は最初の手紙で、チップ上にさらに多くのトランジスタが詰め込まれたときに発生する欠陥を最小限に抑えるために、シリコンをどのように伸ばすか「ひずませる」かという、業界の難しい問題に取り組んだ自身の博士課程の研究についての質問を書いた。

この質問によって対話が始まり、最終的にキム氏は問い合わせを行い、ニューヨーク市郊外にある IBM TJ ワトソン研究センターでのインターンシップに受け入れられました。 彼が到着してすぐに、彼のマネージャーは彼に挑戦状を投げかけた。シリコンの交換に関連する、より困難な新しい問題を解決できれば、フルタイムで雇用されるかもしれない。

当時、エレクトロニクス業界はシリコンの後継候補としてゲルマニウムに注目していました。 この材料はさらに小さなスケールで電子を伝導させることができるため、ゲルマニウムをより小さなトランジスタに加工して、より高速、より小型、より強力なデバイスを実現できる可能性があります。 しかし、ゲルマニウムを「ドープ」する信頼性の高い方法はありませんでした。これは、電子が材料中をどのように流れるかを制御する方法で、材料の原子の一部を別の種類の原子に置き換える重要なプロセスです。

「マネージャーは、私がこの問題を解決できるとは期待していないと言いました。 でも、私は本当にその仕事がしたかったのです」とキムは言う。 「それで私は昼も夜も考えました、どうすればこれを解決できるだろうか？ そしていつも教科書に立ち返ったんです。」

これらの教科書は、彼に基本的なルールを思い出させました。それは、両方の原子が同じサイズであれば、ある原子を別の原子に置き換えることがうまくいくということです。 この啓示がアイデアのきっかけとなりました。 おそらく、ゲルマニウムは、平均原子サイズがゲルマニウムと同様の 2 つの異なる原子の組み合わせでドープされる可能性があります。

「私がこのアイデアを思いついたのですが、その直後、IBM がそれが機能することを示しました。 とても驚きました」とキムさんは言う。 「その時点から、研究が私の情熱になりました。 単純に楽しかったのでやりました。 歌うことは研究を行うこととそれほど変わりません。」

約束どおり、彼はポスドクとして採用され、すぐに研究スタッフメンバーに昇進しました。彼は文字通り、その肩書を誇りを持って背負っていました。

「そこにいられてとても幸せでした」とキムは言う。 「レストランやどこへ行くにもIBMバッジを付けていました。」

IBM での勤務期間を通じて、彼は人間の日常生活に直接影響を与える研究に焦点を当てることと、その基礎を次世代製品の開発に適用する方法を学びました。

「IBM は私を、業界の問題を特定し、その課題に取り組むための創造的な解決策を見つけられるエンジニアに育ててくれました。」と彼は言います。

人生のサイクル

それでも、キムは自分にはもっとできると感じた。 彼は、国内有数のイノベーション拠点のひとつで限界を超える研究に取り組んでおり、そこでは「常識にとらわれない」考え方が奨励され、実験的にテストされていました。 しかし、彼は会社の研究ポートフォリオを超えて探究したいと考え、また、単なる職業としてではなく情熱として研究を追求する方法を見つけたいと考えていました。

「私の経験から、研究が趣味になれば、エンジニアや科学者としてとても幸せな人生を送ることができると学びました」とキムは言います。 「幸福、研究、情熱というサイクルを若い人たちに教え、博士課程の学生がアーティストや歌手のように成長できるよう手助けしたいと思いました。」

2015 年、彼は MIT に向けて荷物をまとめ、機械工学科の若手教員の職に就きました。 研究所に到着したときの第一印象は?

「自由だよ」とキムは言う。 「私にとって、音楽を作曲したり、まったく新しいものを革新したりする自由な発想が最も重要なことです。 そしてMITの人々は非常に才能があり、あらゆることに興味を持っています。」

キャンパスに根を下ろして以来、彼は超薄型で積み重ね可能な高性能電子材料とデバイスの製造に焦点を当てた生産性の高い研究グループを構築しており、これを使用して最小サイズのハイブリッド電子システムを構築できるとキム氏は構想している。爪ほどの大きさで、スーパーコンピューターと同じくらい強力です。 同氏は、グループの多くの革新は、彼の研究室に貢献した 40 人を超える学生、博士研究員、研究科学者のおかげであると考えています。

「ここが、研究が芸術になり得ることを彼らに学んでもらえることを願っています」とキム氏は言う。 「特に学生たちには、自分の仕事を楽しんでいれば、なりたいものになれるということを理解してほしいと思います。」