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[2013.2.5, 14:55-15:25, JST東京本部別館ホール, 市ヶ谷/東京]
永瀬雅夫
徳島大学 大学院ソシオテクノサイエンス研究部 先進物質材料部門 電気電子創生工学コース
(工学部・電気電子工学科・物性デバイス講座)
高品質単結晶単層 グラフェンの作製技術
徳島大学 新技術説明会
グラフェンとは
炭素(carbon)の同素体の1つである グラファイト(graphite)を構成する
2次元結晶1層分
常温、常圧で最安定な炭素結晶形態
0.142nm
0.335nm
厚さ 結合長
各種カーボン(グラファイト系)材料の母材料
グラフェンの特徴
キャリア(電子・正孔)移動度が大きい
機械強度(弾性率・破壊限界)が大きい
早い
強い
熱的・化学的に安定
安定
Siの約100倍
鉄の約5倍硬く、密度は約1/3以下
○剥離法
HOPG(高配向熱分解黒鉛)からの繰り返し剥離
○熱成長法
・金属上グラフェン(CVD法)
金属(触媒)上の熱分解カーボン
・SiC上グラフェン(熱昇華法)
シリコン(Si)脱離による過剰カーボン
○グラフェン酸化物還元法
○その他:数層グラフェンを含む各種カーボン材料
CNT、カーボンナノウォール、
ECRスパッタカーボン等々
数層グラフェンの主な作製方法
本技術の手法
従来の数層グラフェン作製法の問題点
○剥離法
→非常に簡便ではあるが、作製可能面積が非常に小さい
○熱成長法
・金属上グラフェン(CVD法)
→大面積形成が可能であるが本質的に多結晶
・SiC上グラフェン(熱昇華法)
→単結晶グラフェンが形成可能であるが低品質
○グラフェン酸化物還元法、及び、その他の手法
→安価ではあるが多結晶(ナノグラフェン)で低品質
SiC SiC
Graphene Si
SiC
J. Hass, et al.,
J. Phys.: Condens. Matter
20 (2008) 323202.
SiC上グラフェンの形成原理
初期状態 Si熱脱離 グラフェン形成
格子不整合
SiC上グラフェン 格子不整合が小さい
ウエハスケール単結晶グラフェンが実現可能な唯一の方法
特徴
SiC上エピタキシャルグラフェン -従来例-
2
3
1µm
2
1
Ar雰囲気中加熱 超高真空中加熱
S. Tanabe, et al., Appl. Phys. Express 3 (2010) 075102.
M. Nagase et al.,
Nanotechnology 20 (2009) 445704.
完全な単結晶単層グラフェンが実現されていない
問題点
SiC上グラフェンについて
完全な単結晶単層グラフェンが実現されていない
問題点
ウエハスケール単結晶グラフェンが実現可能な唯一の方法
特徴
高品質グラフェン実現のための課題点
1.膜質(層数分布、欠陥等)の評価技術の確立 2.膜形成メカニズムの解明 3.成長条件の最適化
→ 高品質単結晶単層グラフェン
Super-RTA (Rapid thermal
annealer) SR1800
4H-SI SiC(0001) on-axis (CREE)
sample size : 10mm□
(H2SO4/H2O2+dilute-HF)
Stealth dicing (Hamamatsu Photonics)
Wet cleaning
Annealing
Ar 100~600 Torr
1600~1850 oC
SiC上グラフェンの作製プロセス
LEEM DFM(topo.)
1 µm 1 µm 1 µm
2
4
3 1
1
2 3/4
DFM(phase)
1 µm
2 1
1 µm
AFM(topo.) AFM(Friction) LEEM : Low Energy Electron
Microscopy
DFM : Dynamic Force Microscopy
AFM : Atomic Force Microscopy
SiC上グラフェンの層数評価技術
1 nm
graphene
SiC
20 nm
4 nm
5 nm
lower upper
Nanogap probe
30 nm
M. Nagase et al., Nanotechnology 20 (2009) 445704.
SiC上グラフェンのステップ部
2 layer
3~4 layer
剥離に比べ
約44[cm-1]シフト
ラマンマッピング(2D-peak)
岩本ら、応物2011秋 1a-E-1
SiC上グラフェンの顕微ラマン分光技術
2層グラフェンはSiC5層分のステップ上に形成されている
カーボン層形成のためにカーボンの供給源が必要
ピットが形成されていない
ステップエッジが後退し 2層目のグラフェンが形成される
SiC上2層グラフェン成長モデル
1層グラフェン
カーボン層
SiC
SiC 5層分
SiC上グラフェンの形成メカニズム解明
従来の構造モデル 実験結果構造モデル
0.35nm
0.25nm
SiC上グラフェンの構造モデル
形状像
位相像
G peak 2D peak
mono-layer
SiC上グラフェン成長条件の最適化 高均一成長条件:1625℃
RMS=0.29nm
高品質エピタキシャル単層グラフェン
ラマンマッピング:5点 サイズ:100μ m2
ステップ:0.5μ m(λ ex=532nm)
10mm
10mm
形状像
1 2
3
4 5
3
1.膜質(層数分布、欠陥等)の評価技術の確立
高品質単結晶単層グラフェンのための
2.グラフェン形成メカニズムの解明
3.成長条件の最適化
に成功し、
単層単結晶エピタキシャルグラフェン成長技術を確立
特許化:特願2012-038609
「グラフェンおよびその製造方法」
出願人:徳島大学
発明者:永瀬雅夫
本技術の特徴
UHV アニール
従来の技術
Ar中 アニール
UHVアニール
良く揃ったテラス/小さなラフネス
不規則なテラス/層数混在
A. Charrier et al., J. Appl. Phys. 92 (2002) 2479. K. V. Emtsev, et al., Nature mat. 8 (2009) 203.
0.5 nm
A
A'
A-A' cross section
Histogram
Surface roughness < 0.5 nm
本技術
グラフェンの可能性について
・ポストシリコンの可能性
・高機能カーボン材料の可能性
透明電極材料 センサー材料 高強度機構材料
産業レベルの新規材料
超高性能電子デバイス
SiC上単結晶単層グラフェンの
想定される具体的用途
超高速電子デバイス(〜THz)、テラヘルツ検出素子
超高感度(一分子)センサ 等々
強靱な軽量構造材料
高性能な熱伝導材料
走査プローブ顕微鏡(SPM)用導電性標準試料
電気抵抗(SSRM)、表面電位(KFM)、摩擦(LFM)、
段差(AFM)、機械特性、ナノインデンテーション等々
・各種グラフェンデバイス試作用基板
・単結晶グラフェン母材(種結晶)
・グラフェン標準試料
実用化に向けた課題
・完全単結晶の実現
→異種基板上への剥離・転写の可能性
・グラフェン複合物性デバイスの実現
→グラフェン実用デバイスの可能性
・グラフェン関連各種物性の定量化
→標準試料としての可能性
企業への期待
各種のフェーズでの共同研究募集中
サンプル提供可能!!
・各種グラフェンデバイス試作を希望する企業
→試料提供・研究動向アドバイスが行えます
・グラフェンベース素材開発を希望する企業
→試料提供・受託研究が行えます
・グラフェン標準試料の実用化を希望する企業
→各種測定データ提供・受託研究が行えます
1984年 早稲田大学大学院物理学及応用物理学専攻修了 1984年 日本電信電話公社 入社 1987年 日本電信電話(株)LSI研究所 研究員 1997年 博士(工学・早稲田大学)取得 1999年 日本電信電話(株)NTT物性科学基礎研究所 研究員 2010年 徳島大学 大学院ソシオテクノサイエンス研究部 教授
代表研究者:永瀬雅夫 略歴
研究分野
・Si-LSIデバイス・プロセス(シリサイド電極・放射光応用) ・Si-ナノデバイス開発(Si単電子デバイス*1) ・ナノ加工技術(電子線リソグラフィ・集束イオンビーム加工) ・ナノ材料探索(SIMOX・グラフェン) ・ナノ計測技術(SPM*2・SEM・TEM)
*1: 国際特許取得 *2: SPM用ナノスケール実用化(NTT-ATより販売中)
お問い合わせ先
国立大学法人 徳島大学
産学官連携推進部 嵯峨山 和美
TEL 088-656-4997 FAX 088-656-9814 e-mail sagayama@ccr.tokushima-u.ac.jp
四国TLO 技術移転部 安田 崇
TEL 087-811-5039 FAX 088-811-5040
e-mail yasuda@s-tlo.co.jp