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» 2016年06月03日 16時40分 UPDATE

グラフェンデバイス実用化に大きく前進か:浮いたグラフェンナノリボンの集積化合成に成功 (1/2)

東北大学などの共同研究グループは2016年6月2日、グラフェンナノリボンを100万本以上集積した状態で、高効率合成する手法を開発したと発表した。

[竹本達哉,EE Times Japan]

センチ級ウエハーに100万本以上を90%以上の効率で合成

架橋グラフェンナノリボンのイメージ 出典:東北大学

 東北大学、東京大学、北海道大学の共同研究グループは2016年6月2日、グラフェンナノリボンをウエハースケールで集積化合成する手法を開発したと発表した。

 センチメートルオーダーの基板に、100万本以上の基板面に接触しない架橋(浮いた)構造のグラフェンナノリボンを90%以上の効率で合成することに成功したという。研究グループはグラフェンを応用した新たなデバイスの実用化に「大きく前進した」としている。

合成したダイ面積グラフェンナノリボンアレー(左)とその電子顕微鏡写真 (クリックで拡大) 出典:東北大学

 グラフェンナノリボンは、ナノメートルオーダー幅の1次元リボン(短冊)構造で、グラフェンシートながらバンドギャップを持つ。そのため、グラフェンナノリボンは半導体デバイス分野などで、新たなデバイス材料として注目を集めている。ただ、これまでグラフェンナノリボンの幅や長さなど構造を、基板の狙った位置と方向に合成する手法がなく、集積化することができなかった。

これまで合成メカニズム分からず、低効率

 東北大学などの共同研究グループは、2012年までに、急速加熱拡散プラズマ化学気相堆積(CVD)法とニッケルナノバーを反応触媒として利用する合成法を構築。グラフェンナノリボンを基板の狙った位置と方向に合成することに成功していた。ただ、この従来手法では、ニッケルナノバーという特殊な触媒から架橋した構造のグラフェンナノリボンが合成される機構が全く解明されておらず、合成効率が低く、実用的ではなかった。

一般的な熱化学気相堆積(CVD)法と今回開発した急速加熱拡散プラズマCVD法の比較。急速加熱後にプラズマCVDを行った場合にのみ、グラフェンナノリボンが合成される (クリックで拡大) 出典:東北大学

合成機構を解明

 そこで研究グループは、さまざまな合成条件を系統的に変化させて実験を実施。その実験結果をニッケル液滴の安定性に関する分子動力学シミュレーション、ニッケル-炭素2元系合金に関する相図を用いた理論解析と組み合わせて、合成機構解明に向けた研究を実施した。

 ニッケルナノバーから架橋グラフェンナノリボンが合成される反応が、ニッケルナノバーの構造安定に大きく関連していることが判明した。具体的には、

  • グラフェンナノリボンの合成に必要な900℃近い高温状態では、ニッケルナノバーが液体状態で存在すること
  • 液体状ニッケルナノバーの安定性がSiO2基板との界面で決まるぬれ性(親水性/疎水性)により決定すること
  • そのぬれ性がニッケルナノバー中に溶け込んでいる炭素濃度に依存していること

が分かった。

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