JP2013144621A - Graphene film, method for manufacturing graphene film, graphene device, and method for manufacturing graphene device - Google Patents

Graphene film, method for manufacturing graphene film, graphene device, and method for manufacturing graphene device Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To solve such a problem that an index to control the uniformity of domains of a graphene film is not present since the uniformity of domains of the graphene film needs to be controlled in order to improve the performance of a device using the graphene although individual results have been acquired weather the domains of the graphene formed on a catalyst metal surface using various transition metals are uniform or have domain boundaries.SOLUTION: A graphene film has a substrate 3, a catalyst metal 2 disposed on the substrate 3, and a graphene 1 disposed on the catalyst metal 2, wherein the catalyst metal 2 is osmium.

Description

本発明は、グラフェン膜およびグラフェンデバイスに関する。   The present invention relates to a graphene film and a graphene device.

近年、単層のグラファイトであるグラフェンを能動素子として応用する研究開発が盛んに行われている。グラフェンは、既存の半導体材料とは異なる特性を有する。特に、グラフェンの特異なバンド構造により、グラフェン中を移動する電子の質量がほぼゼロであることが特徴である。このため、グラフェンの電子移動度は、従来の半導体材料であるシリコン(Si)の約100倍にも達する。   In recent years, research and development for applying graphene, which is a single layer of graphite, as an active element has been actively conducted. Graphene has different characteristics from existing semiconductor materials. In particular, due to the unique band structure of graphene, the mass of electrons moving through the graphene is almost zero. For this reason, the electron mobility of graphene reaches about 100 times that of silicon (Si), which is a conventional semiconductor material.

グラフェンの形成方法として、微小機械的方法がある。これは、グラファイト試料にテープを貼り付け、基板上に転写することで、グラフェンを得るものである。しかしながら、この方法では、グラフェンの大きさや形成位置を制御することが困難である。   As a method of forming graphene, there is a micromechanical method. In this method, graphene is obtained by attaching a tape to a graphite sample and transferring it onto a substrate. However, with this method, it is difficult to control the size and position of graphene.

グラフェンの大きさや形成位置を制御するために、触媒金属表面上でグラフェンを形成する方法が研究開発されている。この方法では、化学気相成長(CVD)法などにより上記表面上にグラフェンを形成した後、SiO2/Si基板などのゲート絶縁膜を有する基板上に転写する。   In order to control the size and formation position of graphene, a method for forming graphene on a catalytic metal surface has been researched and developed. In this method, graphene is formed on the surface by chemical vapor deposition (CVD) or the like, and then transferred onto a substrate having a gate insulating film such as a SiO2 / Si substrate.

触媒金属の材料として、非特許文献1−8に開示されているように、Co、Ni、Cu、Ru、Rh、Pd、Ir、Pt等の遷移金属を用いる。触媒金属表面上に形成されるグラフェンのドメインの均一性は、触媒金属の材料に依存する。例えば、Co(非特許文献1)、Ni(非特許文献2)、Ru(非特許文献4)、Rh(非特許文献5)の表面上で形成したグラフェンのドメインは均一である一方、Cu(非特許文献3)、Pd(非特許文献6)、Ir(非特許文献7)、Pt(非特許文献8)の表面上で形成したグラフェンにはドメイン境界があることが報告されている。   As a catalyst metal material, as disclosed in Non-Patent Documents 1-8, transition metals such as Co, Ni, Cu, Ru, Rh, Pd, Ir, and Pt are used. The uniformity of the graphene domains formed on the catalytic metal surface depends on the catalytic metal material. For example, the domains of graphene formed on the surfaces of Co (Non-Patent Document 1), Ni (Non-Patent Document 2), Ru (Non-Patent Document 4), and Rh (Non-Patent Document 5) are uniform, while Cu ( Non-patent literature 3), Pd (non-patent literature 6), Ir (non-patent literature 7), and graphene formed on the surface of Pt (non-patent literature 8) have been reported to have domain boundaries.

また、非特許文献9−10に開示されているように、ゲート絶縁膜を有する基板上に転写されたグラフェン上に電極を形成することで、グラフェンデバイスを作製することが可能である。電極の材料として、非特許文献9ではNiを、非特許文献10ではPdを用いていることが報告されている。電極のコンタクト抵抗は、Niでは500Ωμmであり、Pdでは100Ωμmであった。   As disclosed in Non-Patent Documents 9-10, a graphene device can be manufactured by forming an electrode over graphene transferred onto a substrate having a gate insulating film. It is reported that Ni is used in Non-Patent Document 9 and Pd is used in Non-Patent Document 10 as electrode materials. The contact resistance of the electrode was 500 Ωμm for Ni and 100 Ωμm for Pd.

ACS Nano 第4号, 2010年, 7407-7414頁ACS Nano 4, 2010, 7407-7414 The Journal of Physical Chemistry Letters 第1号, 2010年, 3101-3107頁The Journal of Physical Chemistry Letters No. 1, 2010, 3101-3107 Nano Letters 第10号, 2010年, 3512-3516頁Nano Letters No. 10, 2010, 3512-3516 Physical Review B 第76号, 2010年, 075429頁Physical Review B 76, 2010, 075429 ACS Nano 第4号, 2010年, 5773-5782頁ACS Nano 4, 2010, 5773-5782 Nano Letters 第9号, 2009年, 3985-3990頁Nano Letters 9th, 2009, 3985-3990 New Journal of Physics 第11号, 2009年, 023006頁New Journal of Physics No.11, 2009, 023006 Physical Review B 第80号, 2009年, 245411頁Physical Review B 80, 2009, 245411 Applied Physics Letters 第96号, 2010年, 013512頁Applied Physics Letters 96, 2010, 013512 Nature Nanotechnology 第6号, 2011年, 179-184頁Nature Nanotechnology No.6, 2011, 179-184

様々な遷移金属を用いた触媒金属表面上に形成したグラフェンのドメインが均一であるかドメイン境界があるかという個々の結果は得られている。グラフェンデバイスの性能向上のためには、グラフェンのドメインの均一性を制御する必要がある。しかしながら、グラフェンのドメインの均一性を制御する指針が存在しないという課題を有していた。   Individual results have been obtained on whether the domains of graphene formed on the catalytic metal surface using various transition metals are uniform or have domain boundaries. In order to improve the performance of graphene devices, it is necessary to control the uniformity of graphene domains. However, there is a problem that there is no guideline for controlling the uniformity of graphene domains.

また、グラフェンデバイスの性能向上のためには、グラフェンデバイスの電極のコンタクト抵抗を低減する必要がある。しかしながら、NiやPdを用いた場合、グラフェンデバイスの電極のコンタクト抵抗が高いという課題を有していた。   In order to improve the performance of the graphene device, it is necessary to reduce the contact resistance of the electrode of the graphene device. However, when Ni or Pd is used, there is a problem that the contact resistance of the electrode of the graphene device is high.

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、グラフェンの均一性を制御する指針を見出し、グラフェンをより均一に形成する触媒金属を提供することを目的とする。また、グラフェンデバイスの電極のコンタクト抵抗を低減できる電極材料を提供することを目的とする。   SUMMARY OF THE INVENTION The present invention solves the above-described conventional problems and aims to provide a catalyst metal that can form graphene more uniformly by finding a guideline for controlling the uniformity of graphene. It is another object of the present invention to provide an electrode material that can reduce the contact resistance of an electrode of a graphene device.

前記グラフェンの均一性の課題を解決するために、本発明の金属上のグラフェン膜は、グラフェンと触媒金属と基板とによって構成され、前記グラフェンは前記触媒金属上に、前記触媒金属は前記基板上に配置され、前記触媒金属がオスミウムである。   In order to solve the problem of uniformity of the graphene, the graphene film on the metal of the present invention is composed of graphene, a catalyst metal, and a substrate, the graphene is on the catalyst metal, and the catalyst metal is on the substrate. And the catalytic metal is osmium.

また、前記コンタクト抵抗の課題を解決するために、本発明のグラフェンデバイスの電極は、グラフェンと電極と絶縁膜と基板とによって構成され、前記電極は前記グラフェン上に、前記グラフェンは前記絶縁膜上に、前記絶縁膜は前記基板上に配置され、前記電極の材料がオスミウムである。   In order to solve the problem of the contact resistance, an electrode of the graphene device according to the present invention includes a graphene, an electrode, an insulating film, and a substrate. The electrode is on the graphene, and the graphene is on the insulating film. In addition, the insulating film is disposed on the substrate, and the electrode material is osmium.

本発明のグラフェン膜によれば、オスミウムを触媒金属として用いることで、グラフェンの均一性をより高めることができる。また、本発明のグラフェンデバイスの電極によれば、オスミウムを電極材料として用いることで、グラフェンデバイスの電極のコンタクト抵抗を低減することができる。   According to the graphene film of the present invention, the uniformity of graphene can be further improved by using osmium as a catalyst metal. According to the electrode of the graphene device of the present invention, the contact resistance of the electrode of the graphene device can be reduced by using osmium as the electrode material.

実施の形態1のグラフェン膜を表した図FIG. 7 illustrates the graphene film of Embodiment 1. バリア高さの定義を表した図Diagram showing the definition of barrier height バリア高さによりグラフェンのドメインの大きさが異なることを説明する図Diagram explaining that the graphene domain size varies depending on the barrier height 実施の形態2のグラフェンデバイスを表した図The figure showing the graphene device of Embodiment 2 電極−グラフェン界面を拡大した断面図Sectional view enlarging the electrode-graphene interface

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1を表した図である。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a diagram showing Embodiment 1 of the present invention.

図1に示すグラフェン膜は、グラフェン1と、触媒金属2と、基板3とを備える。触媒金属2の材料の種類によって、グラフェン1の均一性が変わる。本発明者は、密度汎関数理論に基づく第一原理電子状態計算を用いたシミュレーションによって、グラフェン1の均一性を制御する指針を見出した。   The graphene film illustrated in FIG. 1 includes graphene 1, a catalyst metal 2, and a substrate 3. The uniformity of the graphene 1 varies depending on the type of material of the catalytic metal 2. The inventor has found a guideline for controlling the uniformity of the graphene 1 by simulation using first-principles electronic state calculation based on density functional theory.

図2に、グラフェン1の均一性を制御する指針で重要なパラメータとなるバリア高さを示す。図2(a)のように、グラフェン1は、炭素原子が表面単位胞10の格子ベクトルに従って周期的に結合されたシートである。触媒金属2表面上のある吸着サイトから図に示す矢印(図中でグラフェンの移動距離と示されている)の分だけグラフェン1が移動したときのポテンシャルエネルギーの分布が、図2(b)に示されている。このとき、ポテンシャルエネルギーの最大値と最小値の差をバリア高さとする。バリア高さとは、グラフェン1が触媒金属2表面上を移動する際に必要なエネルギーを表す。つまり、バリア高さが大きければ、グラフェン1は移動しにくいということを意味する。なお、ポテンシャルエネルギーは、グラフェンを構成する炭素原子1個あたりの値である。   FIG. 2 shows the barrier height that is an important parameter in the guideline for controlling the uniformity of the graphene 1. As shown in FIG. 2A, the graphene 1 is a sheet in which carbon atoms are periodically bonded according to the lattice vector of the surface unit cell 10. The distribution of potential energy when graphene 1 moves from an adsorption site on the surface of catalyst metal 2 by the amount of the arrow shown in the figure (shown as the graphene movement distance) is shown in FIG. It is shown. At this time, the difference between the maximum value and the minimum value of potential energy is defined as the barrier height. The barrier height represents energy required when the graphene 1 moves on the surface of the catalytic metal 2. That is, if the barrier height is large, it means that the graphene 1 is difficult to move. The potential energy is a value per one carbon atom constituting the graphene.

図3は、バリア高さとグラフェンのドメインの大きさの関係を表した図である。触媒金属表面上にグラフェンが成長する過程において、ナノメートルサイズの炭素原子のクラスターが表面上をマイグレートし、クラスター同士が結合する(New Journal of Physics 第10号、2008年、第093026頁)。クラスターが大きくなれば、クラスターが移動する際のエネルギーが増大するため、その移動度は小さくなる。以下、触媒金属のバリア高さの大きさに分けて説明する。   FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the barrier height and the size of the graphene domain. In the process of graphene growing on the catalytic metal surface, clusters of nanometer-sized carbon atoms migrate on the surface and bonds together (New Journal of Physics No. 10, 2008, page 093026). As the cluster grows, the energy for moving the cluster increases, so the mobility decreases. Hereinafter, the description will be divided into the size of the barrier height of the catalyst metal.

<バリア高さが小さい触媒金属>
クラスターは動きやすいため、クラスター同士が接合されて大きくなりやすい。クラスターは動きやすいため、クラスターは触媒金属表面に対して回転したり、いろいろなサイトに吸着したりしてしまう。このため、クラスターが大きくなったときに、図3(a)に示すように、ドメイン境界11が発生する。
<Catalyst metal with low barrier height>
Since the clusters are easy to move, the clusters tend to be joined and become large. Since the cluster is easy to move, the cluster rotates with respect to the catalytic metal surface and is adsorbed at various sites. For this reason, when the cluster becomes large, a domain boundary 11 is generated as shown in FIG.

<バリア高さが大きい触媒金属>
クラスターは動きにくいため、大きくなりにくい。しかしながら、クラスターは触媒金属表面上に強く吸着するため、触媒金属に対して回転せずに、ある決まったサイトに吸着する。このため、図3(b)に示すように、グラフェンは均一に成長する。
<Catalyst metal with large barrier height>
Because clusters are difficult to move, they are difficult to grow. However, since the cluster strongly adsorbs on the surface of the catalyst metal, it does not rotate with respect to the catalyst metal and adsorbs on a certain site. For this reason, as shown in FIG. 3B, the graphene grows uniformly.

以上のように、本発明者は、グラフェンのドメインの均一性を制御するパラメータは、バリア高さであるという仮説を立てた。そこで、第一原理電子状態計算を用いて、様々な金属材料でのバリア高さを算出しグラフェンのドメインの均一性との相関を調べることで、仮説を検証した。まず、バリア高さの結果を表1−3に示す。   As described above, the present inventor has hypothesized that the parameter for controlling the uniformity of graphene domains is the barrier height. Therefore, the first-principles electronic state calculation was used to calculate the barrier height of various metal materials and to examine the correlation with the homogeneity of the graphene domain. First, the results of the barrier height are shown in Table 1-3.

Figure 2013144621
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遷移金属は、d電子の配置仕方やエネルギー準位によって、性質が決定される。3d、4d、5dではエネルギー準位が異なるため、3d、4d、5d遷移金属毎でそれぞれ比較する。   The nature of the transition metal is determined by the arrangement of d electrons and the energy level. Since 3d, 4d, and 5d have different energy levels, comparison is made for each of the 3d, 4d, and 5d transition metals.

<3d遷移金属>
表1より、CoとNiは、約0.1eV以上あり、比較的高い。Cuは約0.01eVで低い。
グラフェンのドメインは、Co(非特許文献1)とNi(非特許文献2)では均一である。Cu(非特許文献3)では、回転角が異なるドメイン境界が発生する。
<3d transition metal>
From Table 1, Co and Ni are about 0.1 eV or more, which is relatively high. Cu is low at about 0.01eV.
The domain of graphene is uniform in Co (Non-patent document 1) and Ni (Non-patent document 2). In Cu (Non-patent Document 3), domain boundaries having different rotation angles are generated.

<4d遷移金属>
表2より、RuとRhは、約0.4eV前後あり、比較的高い。Pdは約0.3eVでやや低い。
グラフェンのドメインは、Ru(非特許文献4)とRh(非特許文献5)では均一である。Pd(非特許文献6)では、周期性が異なるドメイン境界が発生する。
<4d transition metal>
From Table 2, Ru and Rh are about 0.4 eV, which is relatively high. Pd is a little low at about 0.3eV.
The domain of graphene is uniform in Ru (Non-Patent Document 4) and Rh (Non-Patent Document 5). In Pd (Non-Patent Document 6), domain boundaries with different periodicities occur.

<5d遷移金属>
表3より、Osは、約0.5eV前後あり、比較的高い。IrとPtは約0.34eVでやや低い。
グラフェンのドメインは、Ir(非特許文献6)とPt(非特許文献7)では、回転角が異なるドメイン境界が発生する。なおOsに関しては、グラフェンの成膜の実験報告はされていない。
<5d transition metal>
From Table 3, Os is about 0.5 eV, which is relatively high. Ir and Pt are slightly low at about 0.34eV.
In the graphene domain, Ir (non-patent document 6) and Pt (non-patent document 7) have domain boundaries with different rotation angles. As for Os, no graphene film formation experiments have been reported.

これらの結果より、グラフェンのドメインの均一性は、グラフェンのマイグレーションにおけるバリア高さによって決定されることが示された。したがって、5d遷移金属においてOsのバリア高さは充分大きいため、グラフェンのドメインが均一であると推測される。   These results indicate that the homogeneity of graphene domains is determined by the barrier height in graphene migration. Therefore, since the barrier height of Os is sufficiently large in the 5d transition metal, it is assumed that the graphene domain is uniform.

本実施の形態において、触媒金属2として、オスミウムを用いることで、グラフェンのドメインを均一にすることが可能となる。   In the present embodiment, by using osmium as the catalyst metal 2, the graphene domains can be made uniform.

本実施の形態のグラフェンの形成方法を説明する。以下の2つの工程から成る。   A method for forming graphene of this embodiment will be described. It consists of the following two steps.

(a)触媒金属2の成膜工程
基板3上に触媒金属2の薄膜を形成する。
(A) Formation process of catalyst metal 2 A thin film of the catalyst metal 2 is formed on the substrate 3.

(b)グラフェンの成膜工程
炭素原子で構成されるグラフェン1を形成する。
(B) Graphene film forming step Graphene 1 composed of carbon atoms is formed.

触媒金属2として、オスミウムを用いた場合、特許第3664472号で開示されている成膜方法によって、オスミウムの薄膜を形成することが可能である。また、基板3の一例として、サファイア基板等があげられる。   When osmium is used as the catalyst metal 2, it is possible to form an osmium thin film by the film forming method disclosed in Japanese Patent No. 3644472. An example of the substrate 3 is a sapphire substrate.

なお、本実施の形態では、触媒金属2として、オスミウムを用いた。オスミウムは、加熱すると、容易に酸化して、四酸化オスミウムが生じる。四酸化オスミウムは、昇華しやすいため、オスミウムを加熱するだけで、オスミウムを容易に除去することができる。つまり、上記(b)の工程の後、酸化雰囲気でアニールすることで、触媒金属2を除去することも可能となる。   In the present embodiment, osmium is used as the catalyst metal 2. When osmium is heated, it is easily oxidized to produce osmium tetroxide. Since osmium tetroxide is easily sublimated, osmium can be easily removed simply by heating the osmium. That is, after the step (b), the catalyst metal 2 can be removed by annealing in an oxidizing atmosphere.

(実施の形態2)
図4は、本発明の実施の形態2を表した図である。
(Embodiment 2)
FIG. 4 is a diagram showing the second embodiment of the present invention.

図4に示すグラフェンデバイスは、グラフェン1と、基板3と、絶縁膜4と、電極5とを備える。グラフェンデバイスの電極5のコンタクト抵抗は、電極5の材料によって異なる。本発明者は、コンタクト抵抗の低い材料として、オスミウムが望ましいことを見出した。   The graphene device shown in FIG. 4 includes a graphene 1, a substrate 3, an insulating film 4, and an electrode 5. The contact resistance of the electrode 5 of the graphene device varies depending on the material of the electrode 5. The present inventor has found that osmium is desirable as a material with low contact resistance.

図5は、電極5とグラフェン1との界面を拡大した断面図である。図5において、グラフェンを構成する炭素原子を丸で表している。断面図に位置する炭素原子は大きく、断面図より奥側に位置する炭素原子は小さく図示している。グラフェン1は、グラフェン表面に垂直方向に指向性があるパイ電子12を有する。電極のコンタクト抵抗を低減するためには、電極−グラフェン間の電子的な接続を強くしなければいけない。そのためには、電極のdバンドのエネルギー準位がグラフェンのディラック点のエネルギー準位に近い位置になり、またグラフェンのパイ電子12が電極5の金属原子の直上に配置され、グラフェン−金属間の電子雲の重なりが大きくなるようにしなければならない。エネルギー準位の整合とグラフェンの吸着サイトの選択性を調べる必要がある。   FIG. 5 is an enlarged cross-sectional view of the interface between the electrode 5 and the graphene 1. In FIG. 5, carbon atoms constituting graphene are represented by circles. The carbon atoms located in the cross-sectional view are large, and the carbon atoms located on the far side from the cross-sectional view are small. The graphene 1 has pi electrons 12 having directivity in the direction perpendicular to the graphene surface. In order to reduce the contact resistance of the electrode, the electronic connection between the electrode and graphene must be strengthened. For that purpose, the energy level of the d band of the electrode is close to the energy level of the Dirac point of graphene, and the pi electrons 12 of graphene are arranged immediately above the metal atoms of the electrode 5, The overlap of electron clouds must be increased. It is necessary to investigate energy level matching and selectivity of graphene adsorption sites.

<エネルギー準位の整合>
電極とグラフェンのエネルギー準位の整合に関して述べる。これらのエネルギー準位の整合を表す指標として、金属のdバンド中心のエネルギー準位εdとグラフェンのディラック点のエネルギー準位εDとの差の逆数(εd−εD)−1を用いた。第一原理電子状態の計算を用いて算出した(εd−εD)−1の値を表4−6に示す。バリア高さと同様に、3d、 4d、 5d遷移金属毎でそれぞれ比較する。
<Energy level alignment>
The energy level matching between the electrode and graphene will be described. As an index representing the matching of these energy levels, the reciprocal (εd−εD) −1 of the difference between the energy level εd at the center of the d band of the metal and the energy level εD at the Dirac point of graphene was used. Table 4-6 shows the values of (εd−εD) −1 calculated using the calculation of the first principle electronic state. Similar to the barrier height, compare each 3d, 4d, and 5d transition metal.

Figure 2013144621
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表4−6から分かるように、3d、 4d、 5d遷移金属それぞれにおいて、原子番号が大きくなると、(εd−εD)−1が小さくなる傾向があることが分かる。     As can be seen from Table 4-6, in each of the 3d, 4d, and 5d transition metals, it can be seen that (εd−εD) −1 tends to decrease as the atomic number increases.

<吸着サイトの選択性>
グラフェンの吸着サイトの選択性に関しては、実施の形態1で示したバリア高さによって決定される。バリア高さが大きければ、吸着サイトの選択性が強くなる。
<Selection of adsorption site>
The selectivity of the adsorption site of graphene is determined by the barrier height shown in Embodiment Mode 1. The larger the barrier height, the stronger the selectivity of the adsorption site.

ここで、NiとPdに関して述べる。   Here, Ni and Pd will be described.

表4よりNiの(εd−εD)−1の値は、約0.40eV-1である。3d遷移金属において、その値は比較的大きく、エネルギー準位の整合はとれているとみなせる。また、表1より、3d遷移金属において、Niのバリア高さは大きい。さらに発明者は、金属表面上にグラフェンが最も安定して吸着した状態では、グラフェンの表面単位胞の中の一方の炭素原子のパイ電子が金属原子の直上に配置される(図2(a)の配置)ことを確認している。これは、グラフェンと電極間の電子雲の重なりが大きい配置になるため、コンタクト抵抗が低減されることを意味する。   From Table 4, the value of (εd-εD) -1 of Ni is about 0.40 eV-1. In the 3d transition metal, the value is relatively large, and it can be considered that the energy levels are matched. Also, from Table 1, the barrier height of Ni is large in the 3d transition metal. Furthermore, the inventor found that in the state where graphene is most stably adsorbed on the metal surface, the pi electrons of one carbon atom in the surface unit cell of graphene are arranged immediately above the metal atom (FIG. 2 (a)). ) Is confirmed. This means that the contact resistance is reduced because the electron cloud overlaps between the graphene and the electrode.

表5よりPdの(εd−εD)−1の値は、約0.36eV-1である。4d遷移金属において、その値は小さく、エネルギー準位の整合はとれていないとみなせる。また、表2より、4d遷移金属において、Pdのバリア高さはあまり大きくない。さらに発明者は、金属上にグラフェンが最も安定して吸着した状態では、グラフェンの表面単位胞の中のどちらの炭素原子のパイ電子も金属原子の直上には配置されないことを確認している。これは、グラフェンと電極間の電子雲の重なりが小さい配置になるため、コンタクト抵抗があまり低減されないことを意味する。   From Table 5, the value of (εd−εD) -1 of Pd is about 0.36 eV-1. In the 4d transition metal, the value is small, and it can be considered that the energy level is not matched. Also, from Table 2, the barrier height of Pd is not so large in the 4d transition metal. Furthermore, the inventor has confirmed that in the state in which graphene is most stably adsorbed on the metal, the pi electrons of either carbon atom in the surface unit cell of graphene are not arranged immediately above the metal atom. This means that the contact resistance is not greatly reduced because the electron cloud overlap between the graphene and the electrode is small.

以上の結果より、Niの方がPdより電子的な接続では優れていると考えられる。しかしながら、実験報告では、コンタクト抵抗は、Niでは500Ωμm(非特許文献9)、Pdでは100Ωμm(非特許文献10)であり、NiよりPdの方が良好となっている。これは、Niの場合、酸化皮膜が形成されることで、コンタクト抵抗が劣化しているためであると考えられる。   From the above results, it is considered that Ni is better in electronic connection than Pd. However, in the experimental report, the contact resistance is 500 Ωμm for Ni (Non-Patent Document 9) and 100 Ωμm for Pd (Non-Patent Document 10), and Pd is better than Ni. This is presumably because, in the case of Ni, the contact resistance deteriorates due to the formation of an oxide film.

次に、Osに関して述べる。表6よりOsは、(εd−εD)−1の値は、約0.36eV-1である。5d遷移金属において、その値は大きく、エネルギー準位の整合はとれているとみなせる。また、表3より、5d遷移金属において、Osのバリア高さは大きい。さらに、発明者は、金属表面上のグラフェンは、Niと同様の配置になることを確認している。また、Niとは異なり、Osの酸化物は伝導性があることが知られている。   Next, Os is described. From Table 6, Os has a value of (εd−εD) −1 of about 0.36 eV−1. In the 5d transition metal, the value is large and it can be considered that the energy levels are matched. Further, from Table 3, the barrier height of Os is large in the 5d transition metal. Furthermore, the inventor has confirmed that the graphene on the metal surface has the same arrangement as that of Ni. Unlike Ni, Os oxide is known to be conductive.

以上、電極とグラフェンのエネルギー準位の整合、グラフェンの吸着サイトの選択性やその配置、電極材料の酸化物の伝導性の点から、オスミウムはグラフェンデバイスの電極材料として最適であると推測される。   As described above, osmium is presumed to be the most suitable electrode material for graphene devices from the viewpoint of energy level matching between electrode and graphene, selectivity and arrangement of graphene adsorption sites, and oxide conductivity of electrode material .

本実施の形態において、電極5として、オスミウムを用いることで、グラフェンデバイスのコンタクト抵抗を低減し、性能を向上することが可能となる。   In this embodiment, by using osmium as the electrode 5, it is possible to reduce the contact resistance of the graphene device and improve the performance.

本実施の形態のグラフェンの形成方法を説明する。以下の3つの工程から成る。   A method for forming graphene of this embodiment will be described. It consists of the following three steps.

(a)グラフェンの配置工程
絶縁膜4を上部に備えている基板3上に、実施の形態1で作製したグラフェン1を転写することで配置する。
(A) Graphene Arrangement Step The graphene 1 produced in the first embodiment is arranged on the substrate 3 provided with the insulating film 4 on the top thereof.

(b)パターニングされた電極の形成工程
レジストを塗布した後、所望のパターンを有するマスクによってリソグラフィーを行う。次に、電極材料の金属を成膜し、レジストを除去することで、レジスト上の金属をリフトオフし、パターニングされた電極5を形成する。
(B) Patterned electrode formation step After applying a resist, lithography is performed using a mask having a desired pattern. Next, a metal film of an electrode material is formed, and the resist is removed to lift off the metal on the resist to form a patterned electrode 5.

電極5として、オスミウムを用いた場合、実施の形態1と同様に、特許第3664472号で開示されている成膜方法によって、オスミウムの薄膜を形成することが可能である。また、基板3、絶縁膜4の一例として、Si基板、SiO2がそれぞれあげられる。   When osmium is used as the electrode 5, an osmium thin film can be formed by the film forming method disclosed in Japanese Patent No. 3644472 as in the first embodiment. Examples of the substrate 3 and the insulating film 4 include a Si substrate and SiO2.

本発明にかかる形成されたグラフェンは、低消費電力用の電子デバイス等として有用である。   The formed graphene according to the present invention is useful as an electronic device for low power consumption.

1 グラフェン
2 触媒金属
3 基板
4 絶縁膜
5 電極
10 表面単位胞
11 ドメイン境界
12 パイ電子
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Graphene 2 Catalytic metal 3 Substrate 4 Insulating film 5 Electrode 10 Surface unit cell 11 Domain boundary 12 Pi electron

Claims (4)

基板と、
前記基板上に配置された触媒金属と、
前記触媒金属上に配置されたグラフェンとを備え、
前記触媒金属がオスミウムである、グラフェン膜。
A substrate,
A catalytic metal disposed on the substrate;
Comprising graphene disposed on the catalytic metal,
A graphene film, wherein the catalytic metal is osmium.
基板上に触媒金属を形成する第一ステップと、
前記触媒金属上にグラフェンを形成する第二ステップとを含み、
前記触媒金属がオスミウムである、グラフェン膜の製造方法。
A first step of forming catalytic metal on the substrate;
Forming a graphene on the catalytic metal,
A method for producing a graphene film, wherein the catalytic metal is osmium.
基板と、
前記基板上に配置された絶縁膜と、
前記絶縁膜上に配置されたグラフェンと、
前記グラフェン上に配置された電極とを備え、
前記電極の材料がオスミウムである、グラフェンデバイス。
A substrate,
An insulating film disposed on the substrate;
Graphene disposed on the insulating film;
An electrode disposed on the graphene,
A graphene device, wherein the material of the electrode is osmium.
基板上に配置された絶縁膜上に、グラフェンを配置する第一ステップと、
前記グラフェン上にパターニングされた電極を形成する第二ステップとを含み、
前記電極の材料がオスミウムである、グラフェンデバイスの製造方法。
A first step of disposing graphene on the insulating film disposed on the substrate;
Forming a patterned electrode on the graphene, and
The manufacturing method of the graphene device whose material of the said electrode is osmium.
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