JP2010540405A - 好適な基材上のラメラ物質の薄板の固定する方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、所与の電荷の移動性イオンおよび反対の電荷の静止したイオンに解離させるのに好適である酸化物を含む絶縁性基材（２）上に、少なくとも部分的に導電性であるラメラ物質の薄板を固定する方法を提供し、この方法は：
基材の表面に対して、ラメラ物質のサンプル（１）を配置する工程；
基材の酸化物を解離させる工程；および、
基材と接触した電極およびサンプルと接触した電極により、基材およびサンプルを電界に曝す工程、
の各ステップを含む。

Description

本発明は、好適な基材上のラメラ（ｌａｍｅｌｌａｒ）物質の薄板（ｌａｍｅｌｌａｅ）の固定方法に関する。

原子が原子的に薄い平面構造または「薄板」に優先的に並べられ、その中では原子がともに強く結合しており、一方、２つの隣接した薄板の原子の間では弱い結合が働いている特別な結晶構造を提供するために、複数の材料が好適であることが知られている。そうした薄板は、１つまたはいくらかの原子からなる層厚を示すことができる。

種々の材料、例えばＩｎＳｅまたはＧａＳ等の半導体材料、およびグラファイト、ＮｂＳｅ_２、ＴａＳ_２、またはＭｇＢ_２等の金属材料、そしておそらく超伝導体は、薄板状構造を呈するのに好適である。さらに特に、グラフェン（ｇｒａｐｈｅｎｅ）に関して、薄板を機械的に分離する方法が知られており、この方法は、グラファイトの一片を裂くこと（ｃｌｅａｖｉｎｇ）もしくはこすること（ｓｃｒａｐｉｎｇ）、またはグラファイトの一片に粘着テープを適用し、そしてこの一片を引き裂くことのいずれかである。そこで、グラファイトの一片から引き離されることができる任意のグラフェンの薄板を探すために、光学顕微鏡を使用することが必要である。これらのグラフェンの薄板を取り扱うか、または加工するため、そして特に薄板が巻き上がるのを防止するために、次に、例えば、樹脂を使用して、基材上に薄板を固定することが適当であり、そしてこれは困難であることが見いだされた。これらの方法は、ほとんど再現可能でなく、そして大量生産に適していない。

本発明の目的は、好適な基材上に薄板を固定する方法を提供することであり、この方法は、導電性または半導電性であるラメラ物質に特に適合されている。

この目的を達成するために、所与の電荷の移動性イオンおよび反対の電荷の静止したイオンに解離されるのに好適である酸化物を含む絶縁基材上に、少なくとも部分的な導電性であるラメラ物質の薄板を固定する方法が提供され、この方法は、
基材の表面に対して、ラメラ物質のサンプルを配置する工程；
基材の酸化物を解離させる工程；および、
基材と接触している電極およびサンプルと接触している電極によって、電界に基材およびサンプルを曝す工程、
の各ステップを含む。

基材中での酸化物の解離は、基材を弱く導電性にし、電界が加えられた場合に、電極間で電流が生じることができるのに充分である。電界の影響の下では、移動性イオンは、基材と接触している電極の方向へ移動し、適所に反対の電荷の静止したイオンを残し、それによって基材とサンプルとの界面に電荷を作り出す。電界がある時間の間加えられた後で、基材と接触しているサンプルの薄板は、基材に強く結合するようになる。

そして、基材に結合した薄層のみを残すように、サンプルの主な部分を除去すると充分である。この薄層は、基材と接触しかつ基材に強く結合している幾つかの薄板、および基材に少なくとも部分的に結合した薄板を覆い、そしてあまり強くなく基材に結合しており、例えば、剥離されることによって除去されるのに適しているその他の薄板を含む。これにより、数原子または１つのみの原子の厚さを有する薄層が、基材の薄層の表面上に残る。

この固定は、接着剤を使用することなく数分で得られる。これは非常に安価であり、かつ容易に工業化される。この方法は、公知の固定方法、例えば、樹脂を用いた接着結合と競合し、そしてまた蒸発法、分子ビーム法、レーザースパッタリング法等の単結晶層を堆積させる方法または基材の表面上で結晶を成長させる方法と競合する。

このように基材に固定される薄層のサイズは、大体において使用される材料に依存する。良好な結晶品質の材料、例えば、単結晶材料から始めるのが好都合である。

基材上にこのように固定された薄板は、電子機器において、これらを取り込む目的で、リソグラフ処理に曝されることができる。

本発明は、添付図面の図を参照して与えられる以下の記載の下でより良く理解できる。
図１は、本発明の方法が行われることを可能にする機器の図であり；そして、 図２は、グラフェンの薄板が固定されるガラス基材の大幅な拡大図である。

本発明の方法を、グラフェンの薄板を得ることとの関連で説明する。

図１に示すように、グラファイト１のサンプルを、「Ｐｙｒｅｘ７７４０」の商標名で知られるホウケイ酸ガラスであるガラス基材２の上に配置した。この例において、約４平方センチメートルの面積を有する基材２が使用され、そしてサンプル１は、約１平方センチメートルの面積を有する。

サンプル１と基材２との間の良好な接触を確かにするために、基材２の表面が溶媒（トリクロロエチレン、アセトン、およびメタノール）で洗浄される間に、サンプル１は切断され、洗浄され、そして不純物のない基材２の表面に曝される。

アノード４がグラファイトサンプル１に対して配置される間に、カソード３は、ガラス基材２に対して配置される。カソード３およびアノード４は電源５に接続される。集成体はプレス６の下に配置され、グラファイトサンプル１をガラス基材２に対して押しつける。ガラス基材２とサンプル１との間の均一な接触を確かにするために、１０^６パスカル程度の圧力が加えられる。

基材２は、約２００セルシウス度（℃）の温度に、例えば、集成体を筺体に入れ、そして筺体を加熱することによって、昇温される。約１.７キロボルト（ｋＶ）の電界が集成体に加えられる。

この温度において、ガラス基材２のアルカリ酸化物Ｎａ_２Ｏは、ナトリウムカチオンＮａ^＋および酸素アニオンＯ^２−に解離する。電界効果の下では、移動性ナトリウムカチオンは、静止した酸素アニオンを定位置に残しながらカソード３に向かって移動し、それによって、ガラス基材２とグラファイトサンプル１との界面において、負の電荷を作り出す。

電界の適用により、電流は非常に急速に確立し、そして電流は数秒でその高原値に到達し、その値は、典型的には、約数１０〜数１００マイクロアンペア（この値は、特にサンプルと基材との間の接触面積による）である。電流が流れると直ぐに、グラファイトサンプル１は、ガラス基材２に付着し始め、そしてこの例において約数分〜約３０分の間かけて、電流が低い値（高原値の数％）に戻った場合に、付着が完了すると考えられている。

温度および電界の値は、目安として与えられる。温度および電界値は、使用される材料および固定のための所望の温度に依存する。一般的に、発明者らは、いくらかの固定速度を得るために、他のパラメーターを増加させることによりパラメーターの１つの低下を補うことができることを観察した。この固定は、高温および強電界下で最も早く得られる。好ましくは、（１５０℃〜３５０℃）範囲にある温度、および（１．２ｋＶ〜２ｋＶ）の範囲にある電界が使用される。

次に、図２に図式的に示されるように、ガラス基材２の上の残りの薄層のみを残すように、サンプルを裂くと充分である、この層はグラフェンの薄板で構成されている。この薄層は、数原子以下の厚さを有する。

顕微鏡またはラマン分光法を使用して観察することにより、基材に直接固定された薄層のいくつかの薄板１０、および薄板１０の上に積層しており、そして薄層に数原子の局所的な厚みを与える他の薄板１１を確認することができる。基材に直接固定されていない薄板１１は、回収でき、または例えば、粘着テープを使用した引きはがしにより容易に除去できる。これより、基材に強く固定され、そして単一層の原子から数層の原子の範囲にある厚さを示すグラフェンの幾つかの薄板のみがガラス基材上に残る。

このように基材に結合したグラフェンの薄板は、当然巻き上がる傾向が無く、したがって、これらの薄板は、容易に取り扱うことができる。リソグラフ処理を含む基材上での種々の処理に、直接曝されることができる。

高配向性熱分解性グラファイト（ＨＯＰＧ）および天然のグラファイト上で行われた実験は、４００マイクロメートル×２００マイクロメートルまでのかなりなサイズ、および概して約５０００平方マイクロメートルの面積である基材に固定されたグラフェンの薄層を得ることを可能にした。好ましくは、準（ｑｕａｓｉ）単結晶天然グラファイトのサンプルを使用することによって、より大きなサイズを示す基材に固定されたグラフェンの薄片を得ることを可能にするようである。

本発明の方法は、導電性材料が、ホウケイ酸ガラスに陽極接合される方法と混同されるべきではない。加熱することにより、および上記と類似の様式で電界を加えることにより、ガラス状にケイ素の陽極接合を行わせることは公知である。しかし、陽極接合は、三次元の結晶構造を示し、強い内部結合を示し、そしてガラスと界面において酸化物結合Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉを容易に生成させるのに好適なケイ素状の材料に関する。全てのこれらの結合は、非常に強く、そしてガラスに結合した材料を分離することは不可能である。したがって、このように結合した厚さは、ミリメーター以上の桁である微視的であって、本発明の方法と決して比較されない。

対照的に、本発明の方法は、ラメラ物質に適用され、そして基材と直接接触している薄板のみとの結合を模索し、すなわち、最大限で数原子の厚さである。また、基材と直接接触していない薄板を分離することが可能であり続ける。

本発明の方法が単なる静電堆積ではなく、実際に固定する方法であることがまた観察される。基材と接触している薄板は、基材に固く結合している。

この方法は新しい可能性を開き、そして、例えば、グラフェンに基づく電界効果トランジスター（ＦＥＴ）またはケイ素ＦＥＴ上の金属酸化物（ＭＯＳＦＥＴ）等の種々の用途における使用に好適なようである。

本発明は、上記の記載に限定されないが、対照的に本発明は、請求項によって規定された範囲内で生じるあらゆる変化形を範囲とする。

特に、本発明の方法は、グラフェンの薄板を得ることを探索する出願に記載されているが、他のタイプの導電性または半導電性ラメラ物質に本発明を適用することは当然可能である。従って、発明者らは、本発明の方法を使用して、半導電性材料ＩｎＳｅの薄板および金属性および超導電性材料ＮｂＳｅ_２の薄板を固定することができた。

同様に、基材は、記載されたようにガラスでできていることができ、または基材は等しく所与の電荷を有する移動性イオンおよび反対の電荷を有する静止したイオンに分離するのに好適である酸化物の分解の結果としてのある条件下である量の導電性を示すことができる任意の絶縁性材料でできていることもできる。そうした分解は、記載された例のように、またはそうした分解を生じさせるのに好適な他の任意の手段によって加熱により得ることができる。特に、ドープされるケイ素の塊の上に、例えば、高周波マグネトロンスパッタリングによって堆積されたホウケイ酸ガラスの薄層を有する基材を使用することができる。そのタイプの基材は、基材上に薄板を固定するために必要な磁場を低下させるのに役立つ。

Claims (5)

1. 所与の電荷の移動性イオンおよび反対の電荷の静止したイオンに解離させるのに好適である酸化物を含む絶縁性基材（２）の上に、少なくとも部分的に導電性であるラメラ物質の薄板を固定する方法、該方法は、
   該基材の表面に対して、該ラメラ物質のサンプル（１）を配置する工程；
   該基材の該酸化物を解離させる工程；および、
   該基材と接触している電極および該サンプルと接触している電極によって、該基材および該サンプルを電界に曝す工程、
   含んで成るステップを含む。
2. 温度の影響下で移動性Ｎａ^＋カチオンおよび静止したＯ^２−アニオンに解離させるのに好適なアルカリ酸化物Ｎａ_２Ｏを含むホウケイ酸ガラスでできた基材が接続され、そして該基材が該解離を生じさせるために加熱される、請求項１に記載の方法。
3. 該基材が、１５０℃〜３５℃の範囲内にある温度に加熱される、請求項２に記載の方法。
4. 該電界が、１、２ｋＶ〜２ｋＶの範囲内にある、請求項１に記載の方法。
5. 該ラメラ物質が、グラファイトである、請求項１に記載の方法。

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