JP2011063492A - グラフェン薄膜の製造方法とグラフェン薄膜 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】有機溶剤中のグラフェンを、電荷移動錯体を構成する電子受容体有機分子で修飾したグラフェン第1溶液と、有機溶剤中のグラフェンを、電荷移動錯体を構成する電子供与体有機分子で修飾したグラフェン第2溶液とを、基板に塗布する。
【選択図】図6
Description
一方で、グラフェンの産業応用についても様々なものが提案されており、移動度が非常に高いことを利用して、Siを超えるトランジスタへの応用や、スピン注入デバイス、また単分子を検出するガスセンサや透明導電膜など、多岐にわたっている。
この剥離法は、簡便に高品質のグラフェンを得ることができるという長所を有しているが、反面、得られるグラフェンの大きさは、最大でも数十μmと非常に小さく、また光学顕微鏡で注意深くグラフェンを探す必要があるため、工業的に応用できる製膜方法ではない。
非特許文献3では、塗布法を用いてグラフェン薄膜を作製している。
グラファイト粉末を硫酸、硝酸ナトリウム、過マンガン酸カリウムを用いて酸化して酸化グラファイトとし、この酸化グラファイトを水に分散させて超音波を印加する。酸化グラファイトは、グラファイトに比べ層間が0.34nmから1nm程度と大きくなっているため単層に剥離され、この水溶液の上澄みを取ることで、酸化グラファイト水溶液ができる。この酸化グラファイト水溶液を基板にディップコーティングすることにより、酸化グラフェン薄膜が製膜され、1100℃で加熱還元することで、グラフェン薄膜が得られる。
このような温度の要求に対して、非特許文献4において、加熱還元に還元剤のヒドラジンを併用することで加熱温度を550℃まで低温化することが試みられているが、十分な還元をすることはできず、酸化の影響によって、グラフェンの特性が低下する。
しかしながら、これらの方法で作製したグラフェンは、グラフェン間において電気伝導が阻害され、単体のグラフェンに比べ、電気抵抗が増加するという問題があった。
有機溶剤中に分散したグラフェンを、電荷移動錯体を構成する電子受容体有機分子で修飾したグラフェン第1溶液と、
有機溶剤中に分散したグラフェンを、電荷移動錯体を構成する電子供与体有機分子で修飾したグラフェン第2溶液とを、
基板に塗布し、
グラフェン薄膜を製造することとする。
グラフェン薄膜は積層膜であることが好ましい。
また、グラフェンは、グラファイトを単層に剥離したものであることが好ましい。
また、電子受容体有機分子は、テトラチアフルバレン、テトラセレナフルバレン、テトラテルルフルバレン、またはこれらを骨格とする有機分子であること、電子供与体有機分子は、テトラシアノキノジメタン、テトラシアノエチレン、またはこれらを骨格とする有機分子であることが好ましい。
さらに、電子受容体有機分子の添加量、ならびに電子供与体有機分子の添加量が、3wt%〜6wt%であることが好適である。有機分子の添加量が3wt%〜6wt%であれば、グラフェン積層膜の電気伝導度は、3000S/cmを超える。電子受容体有機分子の添加量、ならびに電子供与体勇気分子の添加量が、4wt%〜5.5%であれば特に好適である。有機分子の添加量が4wt%〜5.5%であれば、グラフェン積層膜の電気伝導度は、7000S/cmを超える。
電子受容体有機分子の添加量と、電子供与体有機分子の添加量とは、あまり異ならないことが好ましい。ただし、グラフェンへの修飾率は分子によって変わり、実際には異なってしまうので、その際の許容範囲は10%程度である。
有機溶剤が、N−ジメチルホルムアミド、もしくはN−メチルピロリドンであることが好ましい。
グラフェンを修飾する際の温度は、60℃〜100℃が好ましい。この温度の上限は、有機溶剤が蒸発してしまわない温度であり、下限は、化学的実験により得られた経験値である。
有機溶剤を蒸発させる温度は、120℃〜200℃が好適である。この温度は、上限は分子がグラフェンから脱離もしくは分子の分解が生じない温度であり、基板に影響を与えない温度でもある。下限は、有機溶剤の蒸発が促進される温度である。
また、本発明によれば、
電荷移動錯体を構成する電子受容体有機分子、ならびに電荷移動錯体を構成する電子供与体有機分子で修飾したグラフェンを、積層したグラフェン薄膜とする。
ここで、グラフェン薄膜の電気伝導度が、3000S/cm以上であることが好ましく、7000S/cm以上であればさらに好ましい。
グラフェンの製膜は120℃から200℃の範囲で行う。有機溶剤を蒸発させるために加熱するので、低温プロセスを実現することができ、ポリイミド基板などの、耐熱温度が最大でも300℃程度の耐熱性の低い基板にも、適用することができる。
また、電子受容体有機分子と電子供与体有機分子が結合することにより、修飾されないグラフェンの場合のファンデルワールス力のみで結合されていたのに比べ、膜の強度が向上する。また、基板から出ている水素基や酸素基とグラフェンが結合して、有機分子間でネットワークが作られ電子の通路を形成するので、基板への密着性が上がる。
さらに、高真空装置を必要とせず、低温プロセスであるためコストを低減する効果、製膜が溶液を基板に塗布するだけなので、大面積基板に容易に製膜できる効果、もある。
図1は、本発明で使用したグラファイト10である。このグラファイト10としては、日本黒鉛製ACB150を使用した。
11:グラフェン
12:電子供与体有機分子(D)
13:電子受容体有機分子(A)
14:グラフェン積層膜
20:有機溶剤
21:基板
Claims (12)
- 有機溶剤中に分散したグラフェンを、電荷移動錯体を構成する電子受容体有機分子で修飾したグラフェン第1溶液と、
有機溶剤中に分散したグラフェンを、電荷移動錯体を構成する電子供与体有機分子で修飾したグラフェン第2溶液とを、
基板に塗布すること
を特徴とするグラフェン薄膜の製造方法。 - 請求項1に記載のグラフェン薄膜の製造方法において、
グラフェン薄膜はグラフェンを積層することで形成されること
を特徴とするグラフェン薄膜の製造方法。 - 請求項1または請求項2に記載のグラフェン薄膜の製造方法において、
グラフェンは、グラファイトを単層に剥離したものであること
を特徴とするグラフェン薄膜の製造方法。 - 請求項1または請求項2に記載のグラフェン薄膜の製造方法において、
電子受容体有機分子は、テトラチアフルバレン、テトラセレナフルバレン、テトラテルルフルバレン、またはこれらを骨格とする有機分子であること
を特徴とするグラフェン薄膜の製造方法。 - 請求項1または請求項2に記載のグラフェン薄膜の製造方法において、
電子供与体有機分子は、テトラシアノキノジメタン、テトラシアノエチレン、またはこれらを骨格とする有機分子であること
を特徴とするグラフェン薄膜の製造方法 - 請求項1または請求項2に記載のグラフェン薄膜の製造方法において、
電子受容体有機分子の添加量、ならびに電子供与体有機分子の添加量が、それぞれ3wt%〜6wt%であること
を特徴とするグラフェン薄膜の製造方法 - 請求項1または請求項2に記載のグラフェン薄膜の製造方法において、
電子受容体有機分子の添加量、ならびに電子供与体有機分子の添加量が、それぞれ4wt%〜5.5wt%であること
を特徴とするグラフェン薄膜の製造方法。 - 請求項1または請求項2に記載のグラフェン薄膜の製造方法において、
有機溶剤が、N−ジメチルホルムアミド、もしくN−メチルピロリドンであること
を特徴とするグラフェン薄膜の製造方法。 - 請求項1ないし請求項8に記載のグラフェン薄膜の製造方法において、
グラフェンを修飾するための温度を60℃〜100℃にすること
を特徴とするグラフェン薄膜の製造方法。 - 請求項1ないし請求項9に記載のグラフェン薄膜の製造方法において、
有機溶剤を蒸発させるために、基板を120℃〜200℃に加熱すること
を特徴とするグラフェン薄膜の製造方法。 - 電荷移動錯体を構成する電子受容体有機分子、ならびに電荷移動錯体を構成する電子供与体有機分子で修飾したグラフェンを、積層したこと
を特徴とするグラフェン薄膜。 - 請求項11に記載のグラフェン薄膜において、
その電気伝導度が、3000S/cm以上であることを特徴とするグラフェン薄膜。
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