JP2010241680A - グラフェンの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】グラフェンの製造方法を提供する。
【解決手段】本発明に係るグラフェンの製造方法は、基板上に炭素含有物質を整列させ、アニーリングを実施してグラフェンを製造でき、非常に簡単な工程で、大面積高品質のグラフェンを提供できる。
【選択図】図３

Description

本発明は、グラフェンの製造方法に係り、特に、カーボンナノチューブまたはフラーレンに対してアニーリング工程を実施することによって、グラフェンを製造する方法に関する。

現在、炭素に基づく材料、例えば、カーボンナノチューブ（ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅ）、ダイヤモンド（ｄｉａｍｏｎｄ）、グラファイト（ｇｒａｐｈｉｔｅ）、グラフェン（ｇｒａｐｈｅｎｅ）などが、多様な分野のナノ技術で研究されている。かような材料は、ＦＥＴ（ｆｉｅｌｄ ｅｆｆｅｃｔ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、バイオセンサ（ｂｉｏｓｅｎｓｏｒ）、ナノ複合物（ｎａｎｏｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）または量子素子（ｑｕａｎｔｕｍ ｄｅｖｉｃｅ）等に利用されており、また利用されうる。

グラフェンは、二次元物質であって、バンドギャップが０である半導体物質（ゼロギャップ半導体物質）であり、ここ数年にわたりグラフェンの電気的特性について多様な研究が発表されている。かようなグラフェンの電気的な特性には、両極性超電流（ｂｉｏｐｏｌａｒ ｓｕｐｅｒｃｕｒｒｅｎｔ）、スピン輸送（ｓｐｉｎ ｔｒａｎｓｐｏｒｔ）、量子ホール効果（ｑｕａｎｔｕｍ ｈｏｌｅ ｅｆｆｅｃｔ）などが含まれる。現在、グラフェンは、炭素を基盤とするナノ電子素子の集積化のための基本単位として利用されうる物質として脚光を浴びている。

グラフェンの製造方法として、テープ（ｔａｐｅ）を利用し、グラファイトからグラフェンを基板に転移する方法が紹介されている。しかし、高品質のグラフェンを得るためには、高真空及び１１５０℃ないし１４００℃の高温工程を進めなければならないために、グラフェンの量産が困難であるという問題点がある。

本発明が解決しようとする課題は、二次元構造のグラフェンの製造方法を提供することである。

本発明の一実施形態によるグラフェンの製造方法は、グラフェンの製造方法において、基板上に炭素含有物質を整列させる段階と、前記炭素含有物質が形成された前記基板に対してアニーリングを実施し、前記基板上にグラフェンを製造する段階とを含むグラフェンの製造方法を提供する。

前記炭素含有物質は、カーボンナノチューブまたはフラーレンでありうる。

前記アニーリングは、前記基板の前記炭素含有物質と接触した面の局部溶融温度または再結晶温度以上の温度に加熱することによってなされうる。

前記基板はＳｉ、ＳｉＣ、ＳＯＩ（ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）、ａ−Ｓｉ（ａｍｏｒｐｈｏｕｓ−Ｓｉ）、ｐｏｌｙ−Ｓｉ、ａ−ＳｉＣまたはガラス基板でありうる。

前記基板は、ａ−Ｓｉ、ｐｏｌｙ−Ｓｉ、ａ−ＳｉＣ、ＧｅまたはＧｅＣのうち、少なくともいずれか一つが形成されたガラス基板または石英基板でありうる。

前記アニーリング工程は、レーザまたはＲＴＡ（ｒａｐｉｄ ｔｈｅｒｍａｌ ａｎｎｅａｌｉｎｇ）工程によるものでありうる。

前記アニーリング工程によって、前記炭素含有物質下部の基板には、ＳｉＣが形成されうる。

前記基板上に炭素含有物質を整列させる段階は、前記基板上に多数の金属触媒を整列させて、炭素ソースガスを供給できる。

本発明の実施例によれば、基板上に整列されたカーボンナノチューブまたはフラーレンに対するアニーリング工程を実施することによって、グラフェンを製造でき、別途の高真空、高温工程が必要なく、高品質の大面積グラフェン製造が可能である。

カーボンナノチューブを利用したグラフェンの製造方法を示した図面である。 カーボンナノチューブを利用したグラフェンの製造方法を示した図面である。 フラーレンを利用したグラフェンの製造方法を示した図面である。 フラーレンを利用したグラフェンの製造方法を示した図面である。 基板上に形成されたカーボンナノチューブまたはフラーレンに対してアニーリングを実施し、グラフェンが形成される原理を示した図面である。

以下、添付された図面を参照しつつ、本発明の実施形態によるグラフェン（ｇｒａｐｈｅｎｅ）の製造方法について詳細に説明する。参考用に、図面に示した各層の厚さ及び幅は、説明のために多少誇張されて図示されていることがある。

本発明の実施形態によるグラフェンの製造方法では、基板上に分散された炭素含有物質、例えば、カーボンナノチューブ（ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅ）またはフラーレン（ｆｕｌｌｅｒｅｎｅｓ）をレーザまたはＲＴＡ（ｒａｐｉｄ ｔｈｅｒｍａｌ ａｎｎｅａｌｉｎｇ）などを利用し、アニーリングを実施することによって、非常に簡単な工程でグラフェンを製造できる。

図１Ａ、図１Ｂ、図２Ａ、図２Ｂ及び図３は、本発明の実施形態によるグラフェンの製造方法を示した図面である。ここで、図１Ａ及び図１Ｂは、カーボンナノチューブを利用したグラフェンの製造方法を示した図面である。

図１Ａを参照すれば、まず基板１０上に、カーボンナノチューブ１１，１２を所望の位置に整列させるように形成する。ここで参照符号１１のカーボンナノチューブは、基板１０上に形成されたカーボンナノチューブ１２を拡大したものである。

基板１０上に整列されたカーボンナノチューブ１１，１２は、アーク放電法（ａｒｃ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ）、レーザ蒸発法（ｌａｓｅｒ ａｂｌａｔｉｏｎ）、化学気相蒸着法（ＣＶＤ：ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）などを利用して形成できる。金属触媒粒子を利用し、基板１０上にカーボンナノチューブ１１，１２を形成する工程の例を挙げれば、次の通りである。まず、基板１０上の所望の位置に、金属触媒粒子を配列する。そして、アセチレンやメタンのようなガス炭素ソースを供給すれば、熱分解されつつ、炭素成分が金属触媒粒子と結合しつつカーボンナノチューブを形成できる。

ここで、基板１０は、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＳＯＩ（ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）、ａ−Ｓｉ（ａｍｏｒｐｈｏｕｓ−Ｓｉ）、ｐｏｌｙ−Ｓｉ、ａ−ＳｉＣまたはガラス基板でありうる。また基板１０は、ａ−Ｓｉ、ｐｏｌｙ−Ｓｉ、ａ−ＳｉＣ、ＧｅまたはＧｅＣなどの薄膜が蒸着されているガラス基板や石英基板などでありうる。

そして、図１Ｂを参照すれば、カーボンナノチューブ１１，１２が配列された基板１０に対して、レーザまたはＲＴＡ工程を利用してアニーリング工程Ｌを実施する。アニーリング工程によって、基板１０と接触している部位のカーボンナノチューブ１１，１２は、基板１０の物質と反応して化合物などを形成し、基板１０上には、二次元構造のグラフェン１３が残留する。

かような工程過程で、基板１０を加熱するが、真空状態に維持することも可能であり、ＡｒまたはＮ_２雰囲気下で実施することも可能である。

図２Ａ及び図２Ｂは、フラーレンを利用したグラフェンの製造方法を示した図面である。

図２Ａ及び図２Ｂを参照すれば、まず、基板２０上に炭素によって形成された球形物質であるフラーレン２１，２２を所定位置に整列させる。ここで、参照符号２１のフラーレンは、基板２０上に形成されたフラーレン２２を拡大したものである。

基板２０はＳｉ、ＳｉＣ、ＳＯＩ、ａ−Ｓｉ、ｐｏｌｙ−Ｓｉ、ａ−ＳｉＣまたはガラス基板であって、またａ−Ｓｉ、ｐｏｌｙ−Ｓｉ、ａ−ＳｉＣ、ＧｅまたはＧｅＣなどの薄膜が蒸着されているガラス基板や石英基板などでありうる。整列されたフラーレン２１，２２に対して、レーザまたはＲＴＡ工程を利用してアニーリング工程Ｌを実施する。

アニーリング工程によって、基板２０と接触している部位のフラーレン２１，２２は、基板２０物質と反応して化合物などを形成し、基板２０上には、二次元構造のグラフェン２３が残留する。

かような工程過程で、基板２０を加熱するが、真空状態に維持することも可能であり、ＡｒまたはＮ_２雰囲気下で実施することも可能である。

カーボンナノチューブを利用してグラフェンを製造する場合には、ナノスケール・グラフェンライン（ｎａｎｏｓｃａｌｅ ｇｒａｐｈｅｎｅ ｌｉｎｅ）を形成でき、フラーレンを利用してグラフェンを製造する場合には、ナノスケール・グラフェンドット（ｎａｎｏｓｃａｌｅ ｇｒａｐｈｅｎｅ ｄｏｔ）を形成できる。

図３は、基板上に形成されたカーボンナノチューブまたはフラーレンに対してアニーリングを実施し、グラフェンが形成される原理を示した図面である。

図３を参照すれば、基板３０上に、炭素含有物質、すなわちカーボンナノチューブまたはフラーレン３１が整列されている。ここで、カーボンナノチューブまたはフラーレン３１に対して、レーザまたはＲＴＡ工程Ｌを利用してアニーリングを実施する。アニーリングは、基板３０の炭素含有物質と接触した面の局部溶融温度または再結晶温度以上の温度に加熱することによってなされうる。このとき、カーボンナノチューブまたはフラーレン３１と接する基板領域３３が、溶融（ｍｅｌｔｉｎｇ）状態になりつつ、カーボンナノチューブまたはフラーレン３１の下部領域と反応する。

例えば、基板３０がＳｉを含む場合、カーボンナノチューブまたはフラーレン３１の炭素（Ｃ）と反応し、ＳｉＣを形成する。エキシマレーザを利用する場合、基板領域３３が溶融状態として存在する時間が、数十ｎｓｅｃほどと非常に短いので、瞬間的に反応する。カーボンナノチューブまたはフラーレン３１の下部領域が、溶融されたＳｉと反応する一方で、そのカーボンナノチューブまたはフラーレン３１の下部領域の反対側のカーボンナノチューブまたはフラーレン３１の上部領域３２は、それ自体の弾力によって平坦化される。

結果的に、基板３０と接触しないカーボンナノチューブまたはフラーレン３１の上部領域だけが残留し、基板３０上にグラフェン３４として残留する。カーボンナノチューブまたはフラーレン３１は、基板３０の溶融過程において、レーザなどの照射による熱的ダメージをほとんど受けないので、結果的に、ＳｉＣ上にグラフェン３４が形成された構造となる。従って、レーザ及びＲＴＡによるアニーリング温度は、基板３０が溶融または再結晶する温度以上の温度に加熱できる。

炭素によって形成された二次元結晶構造を有したグラフェンがロール状に形成された場合、カーボンナノチューブ構造になって、さらにカーボンナノチューブを広げれば、ナノスケールの二次元グラフェンとして形成できる。Ｓｉの融点（ｍｅｌｔｉｎｇ ｐｏｉｎｔ）は、１４１０℃であり、このとき、ＳｉはＣと反応して固溶体（ｓｏｌｉｄ ｓｏｌｕｔｉｏｎ）であるＳｉＣ構造になりうる。

グラフェンは、特に４Ｈ−ＳｉＣまたは６Ｈ−ＳｉＣ（０００１）面で、エピタキシャル成長が可能である。本発明の実施形態によれば、レーザなどによって基板の一部領域に対してのみ、瞬間的なアニーリング工程でグラフェンを製造したり、Ｇｅ／基板構造である場合、ＧｅとＣとの反応温度が、基板の融点より低いという性能を利用して製作できるので、工程自体が非常に簡単であり、さらなる高真空、高温工程が必要とされない。

上述の説明で多くの事項が具体的に記載されているが、それらは、発明の範囲を限定するものとするより、実施形態の例示として解釈されるものである。従って、本発明の範囲は、説明された実施形態によって定められるものではなく、特許請求の範囲に記載された技術的思想によって定められるものである。

１０，２０，３０ 基板
１１，１２ カーボンナノチューブ
１３，２３ 二次元構造のグラフェン
２１，２２，２３ フラーレン
３１ カーボンナノチューブまたはフラーレン
３３ 基板領域
３４ グラフェン
Ｌ アニーリング工程

Claims (8)

1. グラフェンの製造方法において、
   基板上に炭素含有物質を整列させる段階と、
   前記炭素含有物質が形成された前記基板に対してアニーリングを実施し、前記基板上にグラフェンを製造する段階とを含むグラフェンの製造方法。
2. 前記炭素含有物質は、カーボンナノチューブまたはフラーレンであることを特徴とする請求項１に記載のグラフェンの製造方法。
3. 前記アニーリングは、前記基板の前記炭素含有物質と接触した面の局部溶融温度または再結晶温度以上の温度に加熱することによってなされることを特徴とする請求項１または２に記載のグラフェンの製造方法。
4. 前記基板はＳｉ、ＳｉＣ、ＳＯＩ、ａ−Ｓｉ、ｐｏｌｙ−Ｓｉ、ａ−ＳｉＣまたはガラス基板であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のグラフェンの製造方法。
5. 前記基板はａ−Ｓｉ、ｐｏｌｙ−Ｓｉ、ａ−ＳｉＣ、ＧｅまたはＧｅＣのうち、少なくともいずれか一つが形成されたガラス基板または石英基板であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のグラフェンの製造方法。
6. 前記アニーリング工程は、レーザまたはＲＴＡ工程によることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載のグラフェンの製造方法。
7. 前記アニーリング工程によって、前記炭素含有物質下部の基板には、ＳｉＣが形成されることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のグラフェンの製造方法。
8. 前記基板上に炭素含有物質を整列させる段階は、前記基板上に多数の金属触媒を整列させ、炭素ソースガスを供給することを含むことを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載のグラフェンの製造方法。

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