JP2012096968A - Method of producing graphene substrate and graphene substrate - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、グラフェン基板の製造方法および当該製造法によって製造されたグラフェン基板に関し、特に、例外的な電子物性や光学特性、優れた機械的特性や化学的特性に由来する、次世代のエレクトロニクス、オプトエレクトロニクス、スピントロニクスに応用できるグラフェン基板の製造方法およびグラフェン基板に関する。 The present invention relates to a method for producing a graphene substrate and a graphene substrate produced by the production method, and in particular, next-generation electronics derived from exceptional electronic properties and optical properties, excellent mechanical properties and chemical properties, The present invention relates to a graphene substrate manufacturing method applicable to optoelectronics and spintronics, and a graphene substrate.
現在の情報化社会を支えるのはシリコンをベースとしたCMOS(相補型金属酸化物半導体)に代表される半導体素子である。これまで、シリコン半導体産業は、リソグラフィー技術、エッチング技術、成膜技術などの微細加工技術の適用範囲をマイクロメートルから数十ナノメートルまで継続的に引き下げることで微細化を果たし、高集積化と高性能化を同時に実現してきた。近年、半導体チャネルとして働くシリコン層の薄さは原子層レベルに達しようとしており、その材料的・物理的限界が指摘されている。 Supporting the current information society is a semiconductor device represented by silicon-based CMOS (complementary metal oxide semiconductor). Until now, the silicon semiconductor industry has achieved miniaturization by continuously reducing the application range of microfabrication technologies such as lithography technology, etching technology, and film formation technology from micrometers to several tens of nanometers. Performance has been realized at the same time. In recent years, the thinness of a silicon layer serving as a semiconductor channel has reached the atomic layer level, and its material and physical limits have been pointed out.
究極の薄さである2次元原子層薄膜でありながら、化学的にも熱力学的にも安定なグラフェンはこの要請に応える大きな潜在性を秘める新規半導体材料であり、それらの優れた物性を活用することで、既存素子の性能を凌駕する新素子が実現できる可能性がある。 Although it is the ultimate thin two-dimensional atomic layer thin film, chemically and thermodynamically stable graphene is a new semiconductor material with great potential to meet this demand, and utilizes its excellent physical properties By doing so, there is a possibility that a new element that surpasses the performance of the existing element can be realized.
グラフェンはsp2混成の炭素のみで構成される層状物質であるグラファイトを1層だけ取り出したものであり、前述の通り、化学反応に対して非常に堅牢であり、また、熱力学的にも安定な単原子層平面物質である。 Graphene is a single layer of graphite, a layered material composed only of sp 2 hybridized carbon. As mentioned above, it is extremely robust against chemical reactions and is also thermodynamically stable. It is a simple monoatomic layer planar material.
グラフェンの構造は、炭素原子を頂点とする正6角形の六炭素環を隙間なく敷き詰めた蜂の巣(ハニカム、honeycomb)状の擬2次元シートで、炭素−炭素間距離は約1.42オングストローム、層の厚さは、下地がグラファイトならば、3.3〜3.4オングストローム、その他の基板上では10オングストローム程度である。 The graphene structure is a honeycomb-like quasi-two-dimensional sheet in which hexagonal hexacarbon rings with carbon atoms at the top are laid without gaps, and the carbon-carbon distance is about 1.42 angstroms. The thickness of the substrate is about 3.3 to 3.4 angstroms if the base is graphite, and about 10 angstroms on other substrates.
グラフェン平面の大きさは、一片の長さがナノメートルオーダーの分子サイズから理論上は無限大まで、様々なサイズを想定することが出来る。通常、グラフェンはグラファイト1層を指すが、層数が2層以上のものを含む場合も多い。その場合、1層、2層、3層のものは、それぞれ、単層(モノレイヤー、monolayer)グラフェン、2層(バイレイヤー、bilayer)グラフェン、3層(トリレイヤー、trilayer)グラフェンと呼ばれ、10層程度までのものをまとめて数層(フューレイヤー、few−layer)グラフェンと呼ぶ。また、単層グラフェン以外は多層グラフェンと言い表す。 The size of the graphene plane can be assumed to vary from a molecular size with a piece length of nanometer order to a theoretically infinite size. Normally, graphene refers to a single graphite layer, but often includes two or more layers. In that case, the one-layer, two-layer, and three-layer ones are referred to as single-layer (monolayer) graphene, two-layer (bilayer) graphene, and three-layer (trilayer) graphene, respectively. Up to about 10 layers are collectively referred to as several layers (few-layer) graphene. In addition, layers other than single-layer graphene are referred to as multilayer graphene.
グラフェンの電子状態は低エネルギー領域においてディラック方程式で記述できる(非特許文献1)。この点、グラフェン以外の物質の電子状態がシュレディンガー方程式で良く記述されるのと好対照である。 The electronic state of graphene can be described by the Dirac equation in the low energy region (Non-Patent Document 1). This is in contrast to the fact that the electronic states of substances other than graphene are well described by the Schrodinger equation.
グラフェンの電子エネルギーはK点近傍で波数に対して線形の分散関係を持ち、より詳しくは、伝導帯と荷電子帯に対応する正と負の傾きを持つ2つの直線で表現できる。それらが交差する点はディラックポイントと呼ばれ、そこでグラフェンの電子は有効質量ゼロのフェルミオンとして振舞うという特異な電子物性を持つ。これに由来して、グラフェンの移動度は107cm2V−1s−1以上という既存物質中で最高の値を示し、しかも温度依存性が小さいという特長を持つ。 The electron energy of graphene has a linear dispersion relationship with respect to the wave number in the vicinity of the K point, and more specifically can be expressed by two straight lines having positive and negative slopes corresponding to the conduction band and the valence band. The point at which they intersect is called the Dirac point, where graphene electrons have a unique electronic property that they behave as zero-mass fermions. As a result, the mobility of graphene shows the highest value among the existing substances of 10 7 cm 2 V −1 s −1 or more, and has a feature that temperature dependence is small.
単層グラフェンは基本的にバンドギャップがゼロの金属もしくは半金属である。しかしながら、大きさがナノメートルオーダーになるとバンドギャップが開き、グラフェンの幅と端構造に依存して、有限のバンドギャップを持つ半導体となる。また、2層グラフェンは摂動なしではバンドギャップがゼロであるが、2枚のグラフェン間の鏡面対称性を崩すような摂動、例えば、電界を加えると、電界の大きさに応じて有限のギャップを持つようになる。 Single-layer graphene is basically a metal or semimetal with a zero band gap. However, when the size is on the order of nanometers, the band gap opens, and the semiconductor has a finite band gap depending on the width and edge structure of graphene. The bilayer graphene has zero band gap without perturbation, but perturbation that breaks the mirror symmetry between the two graphenes, for example, when an electric field is applied, a finite gap is formed according to the magnitude of the electric field. To have.
例えば、3Vnm−1の電界でギャップは0.25eV程度開く。3層グラフェンの場合は伝導帯と荷電子帯が30meV程度の幅で重ね合わさる半金属的な電子物性を呈する。伝導帯と荷電子帯が重なるという点はバルクのグラファイトに近い。4層以上のグラフェンも半金属的物性を呈し、層数が増えるに従って、バルクのグラファイトの電子物性に漸近して行く。 For example, the gap opens about 0.25 eV with an electric field of 3 Vnm- 1 . In the case of three-layer graphene, it exhibits semi-metallic electronic properties in which a conduction band and a valence band are overlapped with a width of about 30 meV. The point that the conduction band and the valence band overlap is close to that of bulk graphite. Graphene with four or more layers also exhibits semi-metallic properties, and as the number of layers increases, it gradually approaches the electronic properties of bulk graphite.
また、グラフェンは機械的特性にも優れ、グラフェン1層のヤング率は2TPa(テラパスカル)と跳びぬけて大きい。引っ張り強度は既存物質中最高レベルである。 Graphene is also excellent in mechanical properties, and the Young's modulus of one layer of graphene jumps to 2 TPa (terrapascal) and is large. Tensile strength is the highest level among existing materials.
その他、グラフェンは独特の光学特性を持つ。例えば、紫外光領域(波長:〜200nm)からテラヘルツ光近傍領域(波長:〜300μm)までの幅広い電磁波領域において、グラフェンの透過率は、1−nα(n:グラフェンの層数、n=1〜10程度、α:微細構造定数、α=e2/2hcε0=0.0229253012、e:電気素量、h:プランク定数、ε0:真空の誘電率)と、グラフェンの物質定数ではなく、基本物理定数のみで表される。これは他の物質材料では見られない、グラフェン特有の特徴である。 In addition, graphene has unique optical properties. For example, in a wide electromagnetic wave region from an ultraviolet light region (wavelength: up to 200 nm) to a near terahertz light region (wavelength: up to 300 μm), the transmittance of graphene is 1−nα (n: the number of graphene layers, n = 1 to 10: α: fine structure constant, α = e 2 / 2hcε 0 = 0.0229253012, e: elementary electric charge, h: Planck's constant, ε 0 : dielectric constant of vacuum) Represented only by physical constants. This is a characteristic characteristic of graphene that is not found in other material materials.
さらに、グラフェンの透過率と反射率はテラヘルツ光領域でキャリア密度依存性を示す。これは電界効果に基づいてグラフェンの光学特性を制御できることを意味する。他の2次元原子層薄膜も次元性に基づく特異な物性を持つことが知られている。 Furthermore, the transmittance and reflectance of graphene show carrier density dependence in the terahertz light region. This means that the optical properties of graphene can be controlled based on the field effect. It is known that other two-dimensional atomic layer thin films also have unique physical properties based on dimensionality.
上述の如く、グラフェンの例外的な電子物性や光学特性、優れた機械的特性や化学的特性を持つことから、化学からエレクトロニクスまで幅広い産業分野での利用が期待される。特に、次世代エレクトロニクス、スピントロニクス、オプトエレクトロニクス、マイクロ・ナノメカニクス、バイオエレクトロニクス分野の半導体装置や微小機械装置への展開が世界各国で進められている。他の2次元原子層薄膜に関してもグラフェン同様、産業利用を目的とした研究開発が活発に行われている。 As described above, graphene is expected to be used in a wide range of industrial fields from chemistry to electronics because of its exceptional electronic properties and optical properties, as well as excellent mechanical and chemical properties. In particular, the development of semiconductor devices and micromechanical devices in the fields of next-generation electronics, spintronics, optoelectronics, micro / nanomechanics, and bioelectronics is being promoted around the world. As with graphene, other two-dimensional atomic layer thin films are actively being researched and developed for industrial use.
ここで、グラフェン平面の大きさは、ナノメートルオーダーの分子サイズから理論上は無限大まで、様々な形状のものを想定することができるが、ナノメートルオーダーの分子サイズになると、マクロなバルク状態とは全く異なった電子物性を発現する。 Here, the size of the graphene plane can be assumed to have various shapes from the molecular size of nanometer order to the theoretically infinite, but when the molecular size becomes nanometer order, the macroscopic bulk state It exhibits completely different electronic properties.
これはいわゆる量子サイズ効果を呼ばれるもので、グラフェンは、マクロの大きさでは通常のグラファイト類似の金属としての性質を有するが、ナノメートルサイズになると、端構造に依存して、金属としての性質、もしくはバンドギャップのある半導体としての性質を呈する。 This is the so-called quantum size effect, and graphene has the properties of a normal graphite-like metal in macro size, but when it becomes nanometer size, depending on the edge structure, the property as metal, Alternatively, it exhibits properties as a semiconductor with a band gap.
具体的にはグラフェンの端部の形状は「ジグザグ端」と「アームチェア端」という二つの形状があるが、例えば幅が20nm以下の量子サイズの場合、端部が「ジグザグ端」の場合は金属として振る舞い、「アームチェア端」の場合は半導体として振舞う。 Specifically, the shape of the end of graphene has two shapes, “zigzag end” and “armchair end”. For example, when the width is 20 nm or less and the end is “zigzag end” It behaves as metal, and in the case of “armchair end” it behaves as a semiconductor.
そのため、グラフェンを用いたデバイスを作製するに当たっては、グラフェンに要求される電子物性に応じた端部の処理が必要である。 Therefore, in manufacturing a device using graphene, it is necessary to process the edge according to the electronic properties required for graphene.
従来技術のグラフェンの形状を加工する方法としては、プラズマエッチングを用いたものがある(非特許文献2)。 As a conventional method for processing the shape of graphene, there is a method using plasma etching (Non-patent Document 2).
また、カーボンナノチューブをO2雰囲気中加熱下でチューブ軸に沿った方向に直線的に酸化することで筒状のカーボンナノチューブを展開し、短冊状のグラフェンを形成することにより、原子レベルで平坦な「ジグザグ端」と「アームチェア端」を得る方法がある(特許文献1)。 In addition, the carbon nanotubes are linearly oxidized in the direction along the tube axis under heating in an O 2 atmosphere to expand the cylindrical carbon nanotubes and to form strip-shaped graphene, thereby flattening at the atomic level. There is a method of obtaining a “zigzag end” and an “armchair end” (Patent Document 1).
しかしながら、従来技術の従来技術のグラフェンの端部の処理方法には以下のような問題があった。 However, the prior art method for treating the edge of graphene has the following problems.
まず、非特許文献2等に記述されているプラズマエッチングによる方法では、構造を決定するためのマスクの精度は0.1μm程度であり、ナノデバイス応用に必要な原子スケールでの加工精度を得ることは非常に困難であった。 First, in the plasma etching method described in Non-Patent Document 2, etc., the accuracy of the mask for determining the structure is about 0.1 μm, and the processing accuracy on the atomic scale necessary for nanodevice application is obtained. Was very difficult.
また、特許文献1のO2雰囲気中加熱下にカーボンナノチューブを配置し、劈開することによって特定の端構造を持つグラフェンを形成する方法では、カイラリティと呼ばれる原子スケールでの巻き構造が分かっているカーボンナノチューブを予め配置しなければならないという問題があった。また、当該手法では同一幅のグラフェンのリボン状構造を構築することはできるが、幅を変えたり、他の構造に接続するなどの複雑な構造を形成することは非常に困難だった。 Further, in the method of forming graphene having a specific end structure by disposing and cleaving carbon nanotubes under heating in an O 2 atmosphere of Patent Document 1, carbon having a known atomic scale winding structure called chirality is known. There was a problem that the nanotubes had to be pre-arranged. In addition, with this method, it is possible to construct a graphene ribbon structure of the same width, but it is very difficult to form a complicated structure such as changing the width or connecting to another structure.
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は端構造を原子スケールで形成・制御可能なグラフェンの加工方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide a graphene processing method capable of forming and controlling an end structure on an atomic scale.
前記課題を解決するため、本発明の第1の態様は、(a)グラフェン層に酸素原子を吸着させ、(b)グラフェンの吸着・拡散異方性を利用して、前記酸素原子を炭素結合間に列状に配列させ、拡散させることによりエーテル結合を形成させ、(c)前記エーテル結合を開裂させて、端部を形成することを特徴とするグラフェン基板の製造方法である。 In order to solve the above problems, the first aspect of the present invention is as follows: (a) an oxygen atom is adsorbed on the graphene layer; and (b) the oxygen atom is bonded to the carbon by utilizing the adsorption / diffusion anisotropy of graphene. It is a method for producing a graphene substrate characterized in that an ether bond is formed by arranging and diffusing them in between, and (c) cleaving the ether bond to form an end.
本発明の第2の態様は、第1の態様に記載のグラフェン基板の製造方法を用いて製造されたグラフェン基板である。 A second aspect of the present invention is a graphene substrate manufactured using the method for manufacturing a graphene substrate according to the first aspect.
本発明によれば、端構造を原子スケールで形成・制御可能なグラフェンの加工方法を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the processing method of the graphene which can form and control an end structure on an atomic scale can be provided.
以下、図面に基づいて本発明に好適な実施形態を詳細に説明する。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail based on the drawings.
まず、第1の実施形態に係るグラフェン基板の製造方法のうち、本発明の最も特徴的な部分である端構造の形成の概略について図1を参照して説明する。 First, the outline of the formation of the end structure, which is the most characteristic part of the present invention, of the method for manufacturing a graphene substrate according to the first embodiment will be described with reference to FIG.
まず、グラフェン層に酸素原子を吸着させる(図1のS1)。
次に、グラフェンの吸着・拡散異方性を利用して、前記酸素原子を炭素結合間に列状に配列させ、拡散させることによりエーテル結合を形成させる(図1のS2)。
最後に、エーテル結合を開裂させて、端部を形成する(図1のS3)。
First, oxygen atoms are adsorbed on the graphene layer (S1 in FIG. 1).
Next, utilizing the adsorption / diffusion anisotropy of graphene, the oxygen atoms are arranged in rows between carbon bonds and diffused to form ether bonds (S2 in FIG. 1).
Finally, the ether bond is cleaved to form an end (S3 in FIG. 1).
このように、グラフェンの吸着・拡散異方性を利用して酸素原子を配列させてエーテル結合を形成した後に、これを開裂することにより、1nm以下の加工精度でグラフェンの端部を形成することができる。 In this way, after forming an ether bond by arranging oxygen atoms by utilizing the adsorption / diffusion anisotropy of graphene, the edge of graphene is formed with a processing accuracy of 1 nm or less by cleaving it. Can do.
次に、図2および図3を参照して本実施形態に係るグラフェン基板の製造方法について、より具体的に説明する。 Next, the method for manufacturing a graphene substrate according to the present embodiment will be described more specifically with reference to FIGS.
まず、グラフェンを基板上に形成する(図2のS11)。
基板としては例えばSiO2が挙げられるが、グラファイトやSiC等を用いても良い。
また、グラフェンの形成方法としては例えば転写法が挙げられるが、Cu基板上に化学気相成長によって形成してもよいし、SiCを熱酸化することによって形成する方法など、他の方法を用いても良い。
First, graphene is formed on a substrate (S11 in FIG. 2).
Examples of the substrate include SiO 2, but graphite, SiC, or the like may be used.
In addition, as a method for forming graphene, for example, a transfer method may be mentioned, but it may be formed by chemical vapor deposition on a Cu substrate, or by using other methods such as a method of forming by thermal oxidation of SiC. Also good.
次に、グラフェンの結晶方位を調べる(図2のS12)。具体的にはX線回折等を用いてグラフェンの結晶方位を決定する。 Next, the crystal orientation of graphene is examined (S12 in FIG. 2). Specifically, the crystal orientation of graphene is determined using X-ray diffraction or the like.
次に、このグラフェン基板にレジストを塗布し電子線描画法によってパターニングを行う(図2のS13)。 Next, a resist is applied to the graphene substrate and patterned by an electron beam drawing method (S13 in FIG. 2).
パターニングの際は、先に決定されたグラフェンの結晶方位に基づき、必要に応じてパターンの端部がアームチェア方向およびジグザグ方向に平行になるようにパターニングを行う。 During patterning, patterning is performed so that the ends of the pattern are parallel to the armchair direction and the zigzag direction as necessary, based on the previously determined crystallographic orientation of graphene.
なお、汚染物質による影響を除くため、パターニング後に、この基板を真空チャンバ内に装填し、真空度10−6Pa程度で真空引きしてもよい。 In order to eliminate the influence of contaminants, this substrate may be loaded into a vacuum chamber after patterning and evacuated at a degree of vacuum of about 10 −6 Pa.
次に、基板温度を120℃程度に昇温した後、同チャンバ内にごく微量の酸素ガスを導入し1時間程度放置することで、基板上に酸素原子を吸着させる(図2のS14)。 Next, after raising the substrate temperature to about 120 ° C., a very small amount of oxygen gas is introduced into the chamber and left for about 1 hour to adsorb oxygen atoms on the substrate (S14 in FIG. 2).
なお、基板温度をさらに上げることで酸素ガスの吸着を促進することができるが、レジストによる解像度が低くなってしまうため、50℃から150℃の範囲が望ましい。ただし、熱耐性および解像度が共に高いレジストであれば基板温度はこの限りではなく、加熱温度はレジストの種類に応じて100〜900℃の範囲で任意に設定可能である。 Note that the adsorption of oxygen gas can be promoted by further increasing the substrate temperature, but the resolution by the resist is lowered, so that the range of 50 to 150 ° C. is desirable. However, if the resist has both high heat resistance and high resolution, the substrate temperature is not limited to this, and the heating temperature can be arbitrarily set in the range of 100 to 900 ° C. according to the type of resist.
放置時間は基板温度が高い場合はより短時間でも構わない。逆に基板温度を低く設定した場合には、より長時間の暴露が必要となる。充分に吸着および拡散が行われたかどうかは必要に応じて走査型トンネル顕微鏡(STM)や原子間力顕微鏡(AFM)などを用いてレジストによるマスクの近傍を走査することによって確認することができる。 The standing time may be shorter when the substrate temperature is high. Conversely, when the substrate temperature is set low, exposure for a longer time is required. Whether or not the adsorption and diffusion have been sufficiently performed can be confirmed by scanning the vicinity of the resist mask using a scanning tunneling microscope (STM), an atomic force microscope (AFM), or the like as necessary.
上記暴露時間中に基板上に吸着した酸素原子は、グラフェン上の拡散のおよび配列の異方性のためにアームチェア方向に沿って列状に配列するように自発的に拡散する。 Oxygen atoms adsorbed on the substrate during the exposure time spontaneously diffuse so as to be arranged in a line along the armchair direction due to diffusion and alignment anisotropy on the graphene.
これにより、列状に吸着した酸素原子はさらに吸着サイト直下の炭素間結合を切断し、最終的に炭素結合間に挿入されエーテル結合を形成する(図2のS15)。 As a result, the oxygen atoms adsorbed in a line form further cut the carbon-carbon bond immediately below the adsorption site and finally inserted between the carbon bonds to form an ether bond (S15 in FIG. 2).
レジストによるマスクの解像度は前述のように原子スケールよりも遙かに粗いが、酸素原子の拡散と吸着の異方性によって、酸素原子はレジストの端に沿って原子スケールで直線的に吸着する。 The resolution of the resist mask is much coarser than the atomic scale as described above, but oxygen atoms are adsorbed linearly on the atomic scale along the edges of the resist due to the diffusion and adsorption anisotropy of oxygen atoms.
また酸素原子はレジストが塗布されていない領域に広範に拡散・吸着するが、レジストエッジ近傍は特にポテンシャルが低くなっているために吸着しやすく、レジストエッジ近傍の1次元的な配列構造は密になっており欠陥が少ない。
なお、上記の方法はアームチェア端を形成する場合の方法である。
Oxygen atoms are diffused and adsorbed extensively in areas where no resist is applied, but the vicinity of the resist edge tends to adsorb because the potential is particularly low, and the one-dimensional array structure near the resist edge is dense. There are few defects.
In addition, said method is a method in the case of forming an armchair end.
ジグザグ端を形成したい場合は、図3に示すように、アームチェア方向に引っ張り圧力を印加することによってジグザグ方向に酸素原子を配列させる。 When it is desired to form the zigzag end, as shown in FIG. 3, oxygen atoms are arranged in the zigzag direction by applying a tensile pressure in the armchair direction.
次に、充分な拡散時間を経てから、塩化水素のようなハロゲン化水素、またはルイス酸による更なる酸化処理で、形成されたエーテル結合を切断し、端部を形成する(図2のS16)。 Next, after a sufficient diffusion time, the formed ether bond is cleaved by further oxidation treatment with hydrogen halide such as hydrogen chloride or Lewis acid to form ends (S16 in FIG. 2). .
以上の手順により、所望の原子スケールのエッジ構造を持ったグラフェン基板が製造される。 Through the above procedure, a graphene substrate having a desired atomic scale edge structure is manufactured.
このように、第1の実施形態によれば、グラフェン層に酸素原子を吸着させ、グラフェンの吸着・拡散異方性を利用して、酸素原子を炭素結合間に列状に配列させ、拡散させることによりエーテル結合を形成させ、エーテル結合を開裂させて、端部を形成している。
そのため、1nm以下の加工精度でグラフェンの端部を形成することができる。
As described above, according to the first embodiment, oxygen atoms are adsorbed on the graphene layer, and oxygen atoms are arranged and diffused in rows between carbon bonds using the adsorption / diffusion anisotropy of graphene. Thus, an ether bond is formed, and the ether bond is cleaved to form an end.
Therefore, the end portion of graphene can be formed with a processing accuracy of 1 nm or less.
次に、第2の実施形態について説明する。
第2の実施形態は、第1の実施形態において、基板を加熱するのではなく、走査型電子顕微鏡の探針に電圧を印加して前記グラフェン層の表面のポテンシャルを変化させることにより、最も安定なアームチェア方向に沿って酸素原子を列状に配列させるものである。
Next, a second embodiment will be described.
In the second embodiment, the substrate is not heated in the first embodiment, but a voltage is applied to the probe of the scanning electron microscope to change the potential of the surface of the graphene layer. The oxygen atoms are arranged in a row along the direction of the armchair.
以下、第2の実施形態に係るグラフェン基板の製造方法について説明する。
まず、第2の実施形態に係るグラフェン基板の製造方法のうち、本発明の最も特徴的な部分である端構造の形成の概略について図1を参照して説明する。
Hereinafter, a method for manufacturing a graphene substrate according to the second embodiment will be described.
First, in the graphene substrate manufacturing method according to the second embodiment, an outline of forming an end structure, which is the most characteristic part of the present invention, will be described with reference to FIG.
まず、グラフェン層に酸素原子を吸着させる(図1のS1)。
次に、グラフェンの吸着・拡散異方性を利用して、前記酸素原子を炭素結合間に列状に配列させ、拡散させることによりエーテル結合を形成させる(図1のS2)。ここでは、走査型電子顕微鏡の探針をグラフェンに接触させ、電位を印加することにより、印加した位置のポテンシャルを変化させる(周囲よりも低くする)。これにより電位を印加した位置に酸素原子が吸着され、エーテル結合を形成する。
最後に、エーテル結合を開裂させて、端部を形成する(図1のS3)。
First, oxygen atoms are adsorbed on the graphene layer (S1 in FIG. 1).
Next, utilizing the adsorption / diffusion anisotropy of graphene, the oxygen atoms are arranged in rows between carbon bonds and diffused to form ether bonds (S2 in FIG. 1). Here, the potential of the applied position is changed (lower than the surroundings) by bringing the probe of the scanning electron microscope into contact with graphene and applying the potential. As a result, oxygen atoms are adsorbed at the position where the potential is applied, and an ether bond is formed.
Finally, the ether bond is cleaved to form an end (S3 in FIG. 1).
次に、図2を参照して第2の実施形態に係るグラフェン基板の製造方法について、より具体的に説明する。 Next, a method for manufacturing a graphene substrate according to the second embodiment will be described more specifically with reference to FIG.
まず、第1の実施形態と同様の手順でグラフェンを基板上に形成する(図2のS11)。
次に、第1の実施形態と同様の手順でグラフェンの結晶方位を調べる(図2のS12)。
次に、この基板を真空チャンバ内に封入し、第1の実施形態と同様の手順で形成したいデバイス構造に対応したパターンをレジストを用いてパターニングする(図2のS13)。
First, graphene is formed on a substrate in the same procedure as in the first embodiment (S11 in FIG. 2).
Next, the crystal orientation of graphene is examined by the same procedure as in the first embodiment (S12 in FIG. 2).
Next, this substrate is sealed in a vacuum chamber, and a pattern corresponding to a device structure to be formed is patterned using a resist in the same procedure as in the first embodiment (S13 in FIG. 2).
この際、先に決定されたグラフェンの結晶方位に基づき、パターンの端部が必要に応じてアームチェア方向もしくはジグザグ方向に平行になるようにパターニングを行う。 At this time, patterning is performed based on the previously determined crystallographic orientation of graphene so that the end of the pattern is parallel to the armchair direction or the zigzag direction as necessary.
次に同チャンバー内に酸素ガスを導入し、基板上に酸素原子を吸着させる(図2のS14)。 Next, oxygen gas is introduced into the chamber to adsorb oxygen atoms on the substrate (S14 in FIG. 2).
この際、走査型電子顕微鏡の探針をグラフェンに接触させ、+1V/nm〜+20V/nm、好ましくは+1V/nm〜+10V/nmの電界強度となるような電位を印加することにより、印加した位置のポテンシャルを変化させる(周囲よりも低くする)。これにより電位を印加した位置に酸素原子が吸着され、エーテル結合を形成する(図2のS15)。 At this time, the scanning electron microscope probe is brought into contact with the graphene, and an applied potential is applied by applying a potential of +1 V / nm to +20 V / nm, preferably +1 V / nm to +10 V / nm. Change the potential of (lower than the surroundings). As a result, oxygen atoms are adsorbed at the position where the potential is applied, and an ether bond is formed (S15 in FIG. 2).
また、この状態で探針を走査させることにより、走査の軌跡に沿って酸素原子を列状に配列させ、吸着させることができる。 Further, by scanning the probe in this state, oxygen atoms can be arranged and adsorbed in a line along the scanning locus.
第2の実施形態の場合は探針の走査の軌跡に沿って酸素原子が配列するため、アームチェア方向およびジグザグ方向のそれぞれの方向の配列のし易さに大きく依存せずに構造を形成することができる。そのため、ジグザグ端を形成する際の引っ張り応力による局所的な歪みの印加は必須ではない。 In the case of the second embodiment, since oxygen atoms are arranged along the scanning trajectory of the probe, the structure is formed without greatly depending on the ease of arrangement in the armchair direction and the zigzag direction. be able to. Therefore, it is not essential to apply local strain due to tensile stress when forming the zigzag end.
次に、第1の実施形態と同様に、塩化水素のようなハロゲン化水素、またはルイス酸による更なる酸化処理で、形成されたエーテル結合を切断し、端部を形成する(図2のS16)。
以上の手順によりグラフェン基板が製造される。
Next, as in the first embodiment, the formed ether bond is cleaved by further oxidation treatment with hydrogen halide such as hydrogen chloride or Lewis acid to form an end (S16 in FIG. 2). ).
The graphene substrate is manufactured by the above procedure.
このように、第2の実施形態によれば、グラフェン層に酸素原子を吸着させ、グラフェンの吸着・拡散異方性を利用して、酸素原子を炭素結合間に列状に配列させ、拡散させることによりエーテル結合を形成させ、エーテル結合を開裂させて、端部を形成している。
そのため、第1の実施形態と同様の効果を奏する。
As described above, according to the second embodiment, oxygen atoms are adsorbed on the graphene layer, and oxygen atoms are arranged in rows between carbon bonds and diffused using the adsorption / diffusion anisotropy of graphene. Thus, an ether bond is formed, and the ether bond is cleaved to form an end.
Therefore, the same effect as that of the first embodiment is obtained.
また、第2の実施形態によれば、走査型電子顕微鏡の探針に電圧を印加することによって表面のポテンシャルを変化させることで酸素原子を配列させている。
そのため、第1の実施形態と比較して、レジストの解像度に大きく依存せずに原子スケールのパターニングが可能になるという効果がある。
Further, according to the second embodiment, oxygen atoms are arranged by changing the surface potential by applying a voltage to the probe of the scanning electron microscope.
Therefore, compared with the first embodiment, there is an effect that patterning on an atomic scale becomes possible without largely depending on the resolution of the resist.
以下、実施例に基づき、本発明をさらに詳細に説明する。 Hereinafter, based on an Example, this invention is demonstrated in detail.
(実施例1)
独自に開発した密度汎関数法を用いた第一原理電子状態計算プログラムによって吸着酸素原子の安定構造および拡散のための拡散障壁を求めた。炭素および酸素の原子核によるポテンシャルはTroullier-Martinsによる擬ポテンシャルを用いた。また波動関数は平面波による展開を行い、エネルギーのカットオフは60Ry(60×13.6eV)とした。6×6の六方晶のスーパーセルには72個の炭素原子および必要に応じて1つないし2つの酸素原子が含まれることになり、周期的境界条件を課している。具体的な手順は以下の通りである。
Example 1
The stable structure of adsorbed oxygen atoms and the diffusion barrier for diffusion were obtained by a first-principles electronic state calculation program using the density functional method developed originally. The pseudopotentials by Troullier-Martins were used as potentials for carbon and oxygen nuclei. The wave function was developed by plane waves, and the energy cutoff was 60 Ry (60 × 13.6 eV). A 6 × 6 hexagonal supercell will contain 72 carbon atoms and optionally one or two oxygen atoms, imposing periodic boundary conditions. The specific procedure is as follows.
グラフェン上における酸素原子の安定吸着位置は炭素間結合の直上であり、エポキシ構造と呼ばれている。
この最安定構造間の拡散障壁は0.9eVであった。
The stable adsorption position of oxygen atoms on graphene is directly above the carbon-carbon bond and is called an epoxy structure.
The diffusion barrier between the most stable structures was 0.9 eV.
さらに図4に示すように、一つ目の酸素原子が吸着した後に二つ目の酸素原子を様々な準安定吸着位置に吸着させ全エネルギーの計算を行ったところ、もっとも安定な吸着位置はアームチェア方向の吸着位置であることが分かった。 Further, as shown in FIG. 4, after the first oxygen atom is adsorbed, the second oxygen atom is adsorbed at various metastable adsorption positions and the total energy is calculated. It was found that it was the adsorption position in the chair direction.
つまり、酸素原子はグラフェン上でアームチェア方向に並んだ方がより安定であることになる。 In other words, oxygen atoms are more stable when lined up in the armchair direction on graphene.
さらに、酸素原子が拡散するための活性化障壁を求めたところ、同様にアームチェア方向に並ぶように拡散する為に障壁がジグザグ方向に並ぶよりも低いことが分かった。 Furthermore, when the activation barrier for oxygen atoms to be diffused was found, it was found that the barrier was lower than that arranged in the zigzag direction because the diffusion was similarly arranged in the armchair direction.
ここで、グラフェン基板上に於いてアームチェア方向は3回の対称性を持つが、酸素の安定吸着位置が隣接する炭素原子間にあるためにさらに2つの方向に限定される。 Here, on the graphene substrate, the armchair direction has three-fold symmetry, but the stable adsorption position of oxygen is between two adjacent carbon atoms, so that it is further limited to two directions.
また、酸素原子が吸着した際に炭素原子間の結合距離が広がることによる結晶構造の歪みを緩和するために酸素原子はさらに一次元的な配列を形成する。 In addition, when oxygen atoms are adsorbed, the oxygen atoms further form a one-dimensional array in order to alleviate distortion of the crystal structure due to the increased bond distance between carbon atoms.
なお、レジストによるマスクやSTM探針による外場によるポテンシャルを印加することで酸素原子の吸着する一次元列の方向をさらに限定することができる。 Note that the direction of the one-dimensional array in which oxygen atoms are adsorbed can be further limited by applying a potential due to an external field using a resist mask or an STM probe.
さらに、吸着酸素原子が拡散するための活性化エネルギーは1eV程度であるため、基板温度を700℃程度に昇温することによって吸着酸素原子がアームチェア方向に並ぶことを飛躍的に促進することができる。 Further, since the activation energy for diffusing the adsorbed oxygen atoms is about 1 eV, it is possible to dramatically promote the alignment of the adsorbed oxygen atoms in the armchair direction by raising the substrate temperature to about 700 ° C. it can.
一方でレジスト材料の耐熱性が低い場合には基板温度を100℃程度に設定し、整列するための時間を1時間以上と長く設定する必要がある。 On the other hand, when the heat resistance of the resist material is low, it is necessary to set the substrate temperature to about 100 ° C. and to set the alignment time as long as 1 hour or more.
(実施例2)
第1の実施形態に記載のグラフェン基板の製造方法を用いてグラフェン基板の製造を試みた。具体的な手順は以下の通りである。
(Example 2)
An attempt was made to produce a graphene substrate using the method for producing a graphene substrate described in the first embodiment. The specific procedure is as follows.
まず、熱酸化によって表面酸化膜が形成されたシリコン基板(寸法100mn×100mm、酸化膜の厚さ4nm)上に転写法によって高配向性熱分解グラファイトからグラフェンシートを転写、形成した。
次に、この基板をX線回折装置を用いて予め結晶方位を決定した。
次に、この基板上にアームチェア方向およびジグザグ方向に平行な配線構造(グラフェン基板を横断する直線上のパターン、長さ約100nm)をフォトレジストを塗布した後電子線リソグラフィによりパターニングを行った。
次に、この基板を真空チャンバ内に封入した。
First, a graphene sheet was transferred and formed from highly oriented pyrolytic graphite by a transfer method onto a silicon substrate (size 100 mn × 100 mm, oxide film thickness 4 nm) on which a surface oxide film was formed by thermal oxidation.
Next, the crystal orientation of this substrate was previously determined using an X-ray diffractometer.
Next, on this substrate, a wiring structure parallel to the armchair direction and the zigzag direction (pattern on a straight line crossing the graphene substrate, length of about 100 nm) was applied with a photoresist, and then patterned by electron beam lithography.
Next, the substrate was sealed in a vacuum chamber.
基板が封入されると真空チャンバ内に酸素ガスを導入してチャンバ内を圧力10−5Paとし、グラフェン基板上に酸素を吸着させた後、基板温度を100℃まで昇温速度10℃/分で昇温し、180分間一定に保った。 When the substrate is sealed, oxygen gas is introduced into the vacuum chamber, the pressure in the chamber is set to 10 −5 Pa, oxygen is adsorbed on the graphene substrate, and then the substrate temperature is increased to 100 ° C. at a rate of temperature increase of 10 ° C./min. And kept constant for 180 minutes.
このときジグザグ方向に平行な配線構造部分については基板に応力を加えて湾曲させることによってパターンに垂直方向に伸張力を加えた。室温まで冷却し、塩酸処理によって基板を洗浄し、透過型電子顕微鏡での観察を行った。 At this time, the wiring structure portion parallel to the zigzag direction was bent by applying a stress to the substrate to apply a tensile force in the direction perpendicular to the pattern. The substrate was cooled to room temperature, washed with hydrochloric acid, and observed with a transmission electron microscope.
形成された端構造はほぼ原子スケールで平坦な構造を有しており、詳細な観察からアームチェア方向およびジグザグ方向の端構造が形成されていることが分かった。 The formed end structure has a flat structure on an almost atomic scale, and it was found from detailed observation that end structures in the armchair direction and the zigzag direction were formed.
以上、本発明の実施形態および実施例について具体的に説明したが、本発明は上述の実施形態および実施例に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。 Although the embodiments and examples of the present invention have been specifically described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments and examples, and various modifications based on the technical idea of the present invention are possible. is there.
Claims (10)
(b)グラフェンの吸着・拡散異方性を利用して、前記酸素原子を炭素結合間に列状に配列させ、拡散させることによりエーテル結合を形成させ、
(c)前記エーテル結合を開裂させて、端部を形成することを特徴とするグラフェン基板の製造方法。 (A) adsorbing oxygen atoms to the graphene layer;
(B) Utilizing the adsorption / diffusion anisotropy of graphene, the oxygen atoms are arranged in rows between carbon bonds and diffused to form ether bonds,
(C) A method for producing a graphene substrate, wherein the ether bond is cleaved to form an end.
前記グラフェン層を加熱することにより、最も安定なアームチェア方向に沿って酸素原子を列状に配列させることを特徴とする請求項1記載のグラフェン基板の製造方法。 (B)
2. The method for producing a graphene substrate according to claim 1, wherein by heating the graphene layer, oxygen atoms are arranged in a line along the most stable armchair direction.
前記加熱温度が100℃〜900℃であることを特徴とする請求項2または3のいずれか一項に記載のグラフェン基板の製造方法。 (B)
The said heating temperature is 100 to 900 degreeC, The manufacturing method of the graphene substrate as described in any one of Claim 2 or 3 characterized by the above-mentioned.
走査型電子顕微鏡の探針に電位を印加して電界により前記グラフェン層の表面のポテンシャルを変化させることにより、最も安定なアームチェア方向に沿って酸素原子を列状に配列させることを特徴とする請求項1記載のグラフェン基板の製造方法。 (B)
By applying a potential to the probe of a scanning electron microscope and changing the potential of the surface of the graphene layer by the electric field, oxygen atoms are arranged in a line along the most stable armchair direction. The manufacturing method of the graphene board | substrate of Claim 1.
ハロゲン化水素またはルイス酸を用いて前記エーテル結合を開裂させることを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載のグラフェン基板の製造方法。 (C)
The method for producing a graphene substrate according to any one of claims 1 to 6, wherein the ether bond is cleaved using hydrogen halide or a Lewis acid.
(d)基板上にグラフェン層を形成し、
(e)前記グラフェン層の結晶方位を決定し、
(f)前記グラフェン層を、アームチェア方向および/またはジグザク方向に平行な形状になるようにパターニングすることを特徴とするグラフェン基板の製造方法。 Before (a)
(D) forming a graphene layer on the substrate;
(E) determining the crystal orientation of the graphene layer;
(F) A method for producing a graphene substrate, wherein the graphene layer is patterned to have a shape parallel to an armchair direction and / or a zigzag direction.
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