JP2014227304A - Method for producing graphene thin film, electronic element equipped with graphene thin film, sensor, array device and sensing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、グラフェン薄膜の製造方法、並びにグラフェン薄膜を備えた電子素子、センサー、アレイ素子およびセンシング方法に関するものである。 The present invention relates to a method for producing a graphene thin film, and an electronic device, a sensor, an array device, and a sensing method provided with the graphene thin film.
グラフェンは、グラファイトの層を形成するシート状物質であり、シート全体にπ電子が広がる構造を有する。上記構造のため、グラフェンは電気伝導特性や移動度などの電気的特性に優れており、バイオサンサーなどに応用されている。 Graphene is a sheet-like substance that forms a graphite layer, and has a structure in which π electrons spread throughout the sheet. Due to the above structure, graphene is excellent in electrical characteristics such as electrical conductivity and mobility, and is applied to biosensors and the like.
グラフェンは、例えばグラファイト結晶から機械的に剥離して抽出される。ところが、このようにして得られるグラフェンの小片、すなわちグラフェンフレークのサイズは非常に小さい。そのため、グラフェン薄膜の大面積化は困難であり、バイオセンサーなどへの実用化に向けて大きな課題となっている。 Graphene is extracted, for example, by mechanically peeling from a graphite crystal. However, the size of the graphene pieces thus obtained, that is, the graphene flakes, is very small. For this reason, it is difficult to increase the area of the graphene thin film, which is a major issue for practical application to biosensors.
一方、グラフェン薄膜の製造に、同じグラフェン材料である酸化グラフェン(GO:Graphene Oxide)を用いる方法が活発に行なわれている。酸化グラフェンは比較的安価に大量合成が可能であり、薄膜化することで容易にグラフェンの大面積形成が可能となるため、電子デバイス材料などへの応用が世界的に検討されている。 On the other hand, a method of using graphene oxide (GO), which is the same graphene material, is actively used for manufacturing a graphene thin film. Graphene oxide can be synthesized in a large amount at a relatively low cost, and it is possible to easily form a large area of graphene by thinning it. Therefore, application to electronic device materials and the like is being studied worldwide.
例えば非特許文献1には、酸化グラフェン(GO)薄膜に対し、ヒドラジンによる還元処理を行なってグラフェンを製造する方法が開示されている。しかしながら、上記還元処理によって得られるrGO(reduced GO)薄膜は、フレーク間のキャリア散乱や化学剥離過程で生成されたグラフェンフレーク内の欠陥構造などにより、移動度や電気伝導度などの電気的特性が低下することが指摘されている。 For example, Non-Patent Document 1 discloses a method for producing graphene by performing a reduction treatment with hydrazine on a graphene oxide (GO) thin film. However, the rGO (reduced GO) thin film obtained by the reduction treatment has electrical characteristics such as mobility and electrical conductivity due to carrier scattering between flakes and defect structure in graphene flakes generated in the process of chemical peeling. It is pointed out that it will decline.
一方、非特許文献2には、単一の酸化グラフェン(GO)フレークに対し、アルコール気相中における熱処理(熱CVD法)による還元を行なって、グラフェンフレークを製造する方法が開示されている。この方法によれば、酸化グラフェンフレークの還元だけでなく、グラフェンを構成する六員環(π電子)の構造修復が効果的に進行して酸化グラフェンフレーク内の欠陥が低減するため、これをFETのチャネル材料として用いればトランジスタ特性が飛躍的に向上すると報告されている。しかしながら、上記非特許文献2は、単一の酸化グラフェン(GO)フレークを還元した酸化グラフェン(rGO)の製造方法が開示されているに過ぎない。 On the other hand, Non-Patent Document 2 discloses a method for producing graphene flakes by reducing a single graphene oxide (GO) flake by a heat treatment (thermal CVD method) in an alcohol gas phase. According to this method, not only the reduction of the graphene oxide flakes, but also the structural repair of the six-membered ring (π electrons) constituting the graphene effectively proceeds to reduce defects in the graphene oxide flakes. It has been reported that transistor characteristics can be dramatically improved when used as a channel material. However, Non-Patent Document 2 merely discloses a method for producing graphene oxide (rGO) obtained by reducing a single graphene oxide (GO) flake.
近年、抗原、抗体、DNAなどの生命現象に深く関わる複数種のタンパク質を、単一の基板上で、高い感度で、簡便且つ安価に検出可能なバイオセンサー用アレイ素子の提供が求められている。現在、実用化されている表面プラズモン(SPR)バイオセンサーによれば、金属表面に固定化されたホスト分子とゲスト分子の吸着を優れた感度で検出できるが、共鳴を発生させるための光源、プリズム、角度検出器などのシステムの繁雑さ、高コストなどの問題を抱えている。また、SPRバイオセンサーでは、複数種のタンパク質を同時に、感度良く検出することは困難である。 In recent years, there has been a demand for providing an array element for a biosensor that can detect a plurality of types of proteins deeply involved in biological phenomena such as antigens, antibodies, DNA, etc. on a single substrate with high sensitivity and at low cost. . The surface plasmon (SPR) biosensor currently in practical use can detect the adsorption of host molecules and guest molecules immobilized on a metal surface with excellent sensitivity, but it is a light source and prism for generating resonance. It has problems such as complexity of systems such as angle detectors, high cost. Moreover, it is difficult for the SPR biosensor to detect a plurality of types of proteins simultaneously with high sensitivity.
一方、前述した非特許文献1および2のように、安価で大面積の形成が可能な酸化グラフェンを還元してグラフェンを製造する方法も提案されている。しかし、非特許文献1には、ヒドラジンによる還元を行なうと、サイズが数μm程度のグラフェン薄膜にしたときの電気的特性が低下することが報告されている。また、非特許文献2では、単一の酸化グラフェンフレークを用いて還元する方法が開示されているに過ぎず、大面積応用に向けたグラフェン薄膜のための設計指針は提供されていない。 On the other hand, as described in Non-Patent Documents 1 and 2, a method for producing graphene by reducing graphene oxide that can be formed at a low cost and with a large area has been proposed. However, Non-Patent Document 1 reports that the electrical characteristics of a graphene thin film having a size of several μm deteriorate when reduced with hydrazine. Non-Patent Document 2 merely discloses a method of reducing using a single graphene oxide flake, and does not provide a design guideline for a graphene thin film for a large area application.
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、酸化グラフェンを還元してグラフェン薄膜を製造する方法であって、グラフェン本来の優れた電気的特性を低下させることなく、キャリア移動度が高いグラフェン薄膜を製造することが可能な製造方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is a method for producing a graphene thin film by reducing graphene oxide, without degrading the original excellent electrical characteristics of graphene, and carrier transfer An object of the present invention is to provide a manufacturing method capable of manufacturing a graphene thin film having a high degree.
また、本発明の他の目的は、ターゲットとなるタンパク質などの物質を高い感度で、簡便且つ安価に検出することが可能な電界効果トランジスタなどの電子素子;当該素子を備えたpHセンサーやバイオサンサーなどのセンサー;当該素子を同一基板上に複数有するアレイ素子;および当該アレイ素子を用いて同種または異種の、複数の被験物質を同時に検出することが可能なセンシング方法を提供することにある。 Another object of the present invention is to provide an electronic device such as a field effect transistor capable of detecting a target protein or the like with high sensitivity, simply and inexpensively; a pH sensor or a biosensor equipped with the device. An array element having a plurality of such elements on the same substrate; and a sensing method capable of simultaneously detecting a plurality of test substances of the same or different types using the array elements.
上記課題を解決し得た本発明に係るグラフェン薄膜の製造方法(第1の製造方法)は、複数の酸化グラフェンフレーク同士が一部重なり合っている酸化グラフェン薄膜を準備する工程と、前記酸化グラフェン薄膜に炭素含有ガスを接触させて前記酸化グラフェン薄膜を還元する工程と、を含むところに要旨を有するものである。 The graphene thin film manufacturing method (first manufacturing method) according to the present invention that has solved the above problems includes a step of preparing a graphene oxide thin film in which a plurality of graphene oxide flakes partially overlap each other, and the graphene oxide thin film And a step of reducing the graphene oxide thin film by bringing a carbon-containing gas into contact therewith.
本発明の好ましい実施形態において、上記炭素含有ガスは、アルコールおよび/または炭化水素を含む。 In a preferred embodiment of the present invention, the carbon-containing gas includes alcohol and / or hydrocarbon.
本発明の好ましい実施形態において、上記炭素含有ガスは、更に水蒸気を含む。 In a preferred embodiment of the present invention, the carbon-containing gas further contains water vapor.
本発明の好ましい実施形態において、上記アルコールはエタノールであり、上記炭化水素はアセチレンである。 In a preferred embodiment of the present invention, the alcohol is ethanol and the hydrocarbon is acetylene.
本発明の好ましい実施形態において、上記酸化グラフェン薄膜を準備する工程に用いられる酸化グラフェン薄膜は、基板上に酸化グラフェンフレークの分散液をスピンコート法によって塗布して得られるものである。 In a preferred embodiment of the present invention, the graphene oxide thin film used in the step of preparing the graphene oxide thin film is obtained by applying a dispersion of graphene oxide flakes on a substrate by a spin coating method.
上記課題を解決し得た本発明に係るグラフェン薄膜の他の製造方法(第2の製造方法)は、酸化グラフェン薄膜を準備する工程と、前記酸化グラフェン薄膜に、炭素含有ガスとして、炭化水素、炭化水素と水との混合物、アルコールと水との混合物、または炭化水素とアルコールと水との混合物を接触させて前記酸化グラフェン薄膜を還元する工程と、を含むところに要旨を有するものである。 Another method (second manufacturing method) for producing a graphene thin film according to the present invention that has solved the above-described problems includes a step of preparing a graphene oxide thin film, a hydrocarbon containing carbon as a carbon-containing gas in the graphene oxide thin film, And a step of reducing the graphene oxide thin film by bringing a mixture of hydrocarbon and water, a mixture of alcohol and water, or a mixture of hydrocarbon, alcohol and water into contact with each other.
本発明には、上記のいずれかに記載の製造方法によって得られたグラフェン薄膜をチャネル層に有する電子素子も含まれる。 The present invention also includes an electronic device having a graphene thin film obtained by any of the manufacturing methods described above in a channel layer.
本発明の好ましい実施形態において、上記電子素子は電界効果トランジスタである。 In a preferred embodiment of the present invention, the electronic device is a field effect transistor.
本発明の好ましい実施形態において、上記電子素子のキャリア移動度は5cm2/V・s以上である。 In a preferred embodiment of the present invention, the carrier mobility of the electronic element is 5 cm 2 / V · s or more.
本発明には、上記のいずれかに記載の電子素子を備えたセンサーも含まれる。 The present invention also includes a sensor including any of the electronic elements described above.
本発明には、同一基板上に、上記のいずれかに記載の製造方法によって得られた少なくとも第1領域と第2領域とを有するグラフェン薄膜と;前記第1領域のグラフェン薄膜を有する第1のチャネル層と、前記第1のチャネル層の両側に設置された第1のソース電極および第1のドレイン電極と、第1のゲート電極と、を有する第1の電界効果トランジスタと;前記第2領域のグラフェン薄膜を有する第2のチャネル層と、前記第2のチャネル層の両側に設置された第2のソース電極および第2のドレイン電極と、第2のゲート電極と、を有する第2の電界効果トランジスタと;を有するアレイ素子であって、前記第1領域のグラフェン薄膜の表面に、第1の被験物質と結合する第1の官能基を有し、前記第2領域のグラフェン薄膜の表面に、第2の被験物質と結合する第2の官能基を有し、前記第1の被験物質と前記第2の被験物質、および前記第1の官能基と前記第2の官能基は、それぞれ、同一または異なるものであるアレイ素子も含まれる。 According to the present invention, a graphene thin film having at least a first region and a second region obtained by any one of the manufacturing methods described above on the same substrate; a first graphene thin film having the first region A first field effect transistor having a channel layer, a first source electrode and a first drain electrode provided on both sides of the first channel layer, and a first gate electrode; and the second region A second electric field having a second channel layer having the graphene thin film, a second source electrode and a second drain electrode provided on both sides of the second channel layer, and a second gate electrode. An effect transistor having a first functional group bonded to a first test substance on the surface of the graphene thin film in the first region, and on the surface of the graphene thin film in the second region A second functional group that binds to a second test substance, and the first test substance and the second test substance, and the first functional group and the second functional group are the same. Or, array elements that are different are included.
本発明には、上記のアレイ素子を用いて検出溶液中の被験物質を検知するセンシング方法であって、前記第1の被験物質を含む第1の検出溶液、および前記第2の被験物質を含む第2の検出溶液をそれぞれ、前記第1のチャネル層、および前記第2のチャネル層に接触させるステップと、前記第1の被験物質および前記第2の被験物質がそれぞれ、前記第1の官能基および前記第2の官能基に結合することによって生じる前記第1のチャネル層および前記第2のチャネル層の電位変化を検出して前記第1の被験物質および前記第2の被験物質を検知するステップと、を含むセンシング方法も含まれる。 The present invention provides a sensing method for detecting a test substance in a detection solution using the array element described above, which includes the first detection solution containing the first test substance and the second test substance. Bringing the second detection solution into contact with the first channel layer and the second channel layer, respectively, and each of the first test substance and the second test substance being the first functional group Detecting the first test substance and the second test substance by detecting potential changes in the first channel layer and the second channel layer caused by binding to the second functional group. And a sensing method including:
本発明に係るグラフェン薄膜の製造方法は上記のように構成されているため、高移動度や高電気伝導度といったグラフェン本来が有する優れた電気的特性を備えたグラフェン薄膜を、簡便且つ安価に製造することができる。 Since the method for producing a graphene thin film according to the present invention is configured as described above, it is possible to easily and inexpensively produce a graphene thin film having excellent electrical characteristics inherent in graphene such as high mobility and high electrical conductivity. can do.
上記製造方法によって得られるグラフェン薄膜を備えたFETのキャリア移動度は、例えば5cm2/V・s以上と非常に高く、単一基板上に均一な大面積薄膜を得ることができる。そのため、上記グラフェン薄膜は、FETなどの電子素子、バイオセンサーなどに代表されるセンサー、FETなどの電子素子を複数有するアレイ素子、当該アレイ素子を用いたセンシング方法などに適用可能である。これにより、同種または異種の、複数の被験物質を同時に、感度良く検出することができる。例えば、本発明の製造方法によって得られるグラフェン薄膜の表面に、ターゲットとなる被験物質と選択的に結合する官能基(例えば、核酸アプタマー、ペプチドアプタマーなどのアプタマー分子など)を配置させることにより、所望とする被験物質を選択的に検出することができる。よって、本発明の技術を用いれば、腫瘍マーカーや免疫反応検査などのように、製薬分野、診断医療分野といった広範囲の分野への応用、展開が期待できる。 The carrier mobility of the FET including the graphene thin film obtained by the above manufacturing method is very high, for example, 5 cm 2 / V · s or more, and a uniform large-area thin film can be obtained on a single substrate. Therefore, the graphene thin film can be applied to an electronic element such as an FET, a sensor typified by a biosensor, an array element having a plurality of electronic elements such as an FET, a sensing method using the array element, and the like. As a result, a plurality of test substances of the same type or different types can be simultaneously detected with high sensitivity. For example, a desired functional group (for example, an aptamer molecule such as a nucleic acid aptamer or a peptide aptamer) that selectively binds to a target test substance is disposed on the surface of the graphene thin film obtained by the production method of the present invention. Can be selectively detected. Therefore, if the technology of the present invention is used, it can be expected to be applied and developed in a wide range of fields such as a pharmaceutical field and a diagnostic medical field such as a tumor marker and an immune reaction test.
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究を重ねてきた。その結果、酸化グラフェンを還元してグラフェン薄膜を製造するにあたり、出発材料として複数の酸化グラフェンフレーク同士が一部重なり合っている酸化グラフェン薄膜を用い、これに炭素含有ガスを接触させて酸化グラフェンを還元すれば上記課題を解決できることを見出した。 The present inventors have intensively studied to solve the above problems. As a result, when producing graphene thin films by reducing graphene oxide, graphene oxide thin films in which multiple graphene oxide flakes partially overlap each other are used as starting materials, and carbon-containing gas is brought into contact therewith to reduce graphene oxide It was found that the above problems can be solved.
従来、複数の酸化グラフェンフレーク同士が一部重なり合っている酸化グラフェン薄膜をヒドラジンにより還元すると、フレーク間で起こるキャリア散乱により移動度などのデバイス特性が、単一フレークの場合よりも大幅に低下することが前述した非特許文献1に報告されている。そのため、これまでは、出発材料として、このような酸化グラフェン薄膜を用いることは全く考えられていなかった。しかしながら、本発明者らの実験結果によれば、複数の酸化グラフェンフレーク同士が一部重なり合っている酸化グラフェン薄膜に炭素含有ガスを接触させて還元すると、予想に反し、高移動度や高電気伝導度といったグラフェン本来が有する優れた電気的特性を有効に発揮し得るグラフェン薄膜が得られることが分かった(後記する実験例1および2を参照)。 Conventionally, when graphene oxide thin films, in which multiple graphene oxide flakes partially overlap, are reduced with hydrazine, device properties such as mobility are greatly reduced compared to single flakes due to carrier scattering between the flakes. Is reported in Non-Patent Document 1 described above. Therefore, until now, it has not been considered at all to use such a graphene oxide thin film as a starting material. However, according to the results of experiments conducted by the present inventors, when a carbon-containing gas is brought into contact with a graphene oxide thin film in which a plurality of graphene oxide flakes partially overlap with each other and reduced, unexpectedly, high mobility and high electrical conductivity are obtained. It was found that a graphene thin film capable of effectively exhibiting the excellent electrical properties of graphene inherent such as the degree was obtained (see Experimental Examples 1 and 2 described later).
更に本発明者らの実験結果によれば、酸化グラフェンを還元してグラフェン薄膜を製造するにあたり、炭素含有ガスとしてエタノールなどのアルコールのみならず、炭化水素、炭化水素と水との混合物、アルコールと水との混合物、または炭化水素とアルコールと水との混合物を用いても上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成した。 Furthermore, according to the experimental results of the present inventors, in producing graphene thin film by reducing graphene oxide, not only alcohol such as ethanol as a carbon-containing gas, but also hydrocarbon, a mixture of hydrocarbon and water, alcohol and The present invention has been completed by finding that the above problem can be solved even by using a mixture of water or a mixture of hydrocarbon, alcohol and water.
本明細書において「酸化グラフェン薄膜を還元する」とは、酸化グラフェン薄膜からの酸素の脱離に加えて、酸化グラフェンのπ電子系の回復が促進され、グラフェンの構造が形成されることを意味する。 In this specification, “reducing the graphene oxide thin film” means that in addition to the desorption of oxygen from the graphene oxide thin film, the recovery of the π electron system of the graphene oxide is promoted, and the graphene structure is formed. To do.
以下の記載では、酸化グラフェンをGOと略記する。また、酸化グラフェンを還元して得られる酸化グラフェンを、特にrGOと略記する場合がある。 In the following description, graphene oxide is abbreviated as GO. In some cases, graphene oxide obtained by reducing graphene oxide is particularly abbreviated as rGO.
はじめに、以下の実験例1および実験例2を用いて、複数のGOフレーク同士が一部重なり合っているGO薄膜に炭素含有ガスを接触させて得られるrGO薄膜は、高い移動度と低い電気抵抗を有しており、電気的特性に優れることを説明する。 First, using Example 1 and Example 2 below, an rGO thin film obtained by bringing a carbon-containing gas into contact with a GO thin film in which a plurality of GO flakes partially overlap each other has high mobility and low electrical resistance. It is explained that it has excellent electrical characteristics.
(実験例1)
まず、表面にSiO2膜(膜厚280nm)が形成されたSi基板(膜厚380μm)を準備した。次に、GO(Graphene Laboratories Inc.より入手)を水に希釈して100〜500mg/LのGO水溶液を調製した。このようにして得られたGO水溶液を上記のSi基板上に、スピンコート法により塗布し、1〜2層のGO同士が一部重なり合っているGO薄膜を作製した。スピンコート法の塗布条件は以下のとおりである。
1000rpmにて60秒保持→10秒間かけて、1000rpmから3000rpmへ回転数を上げる→3000rpmにて60秒保持
(Experimental example 1)
First, a Si substrate (film thickness 380 μm) having a SiO 2 film (film thickness 280 nm) formed on the surface was prepared. Next, GO (obtained from Graphene Laboratories Inc.) was diluted in water to prepare a 100-500 mg / L GO aqueous solution. The GO aqueous solution thus obtained was applied onto the Si substrate by a spin coating method to produce a GO thin film in which one or two GO layers partially overlap each other. The application conditions of the spin coating method are as follows.
Hold for 60 seconds at 1000 rpm → Increase speed from 1000 rpm to 3000 rpm over 10 seconds → Hold for 60 seconds at 3000 rpm
次に、下記(I)または(II)の処理により上記GO薄膜を還元した。
(I)炭素源としてエタノールを用いたCVD処理(本発明例)
エタノールの流量:0.5sccm
キャリアガス(希釈ガス):Arガス中にH2を3%の割合で混合
キャリアガスの流量:100sccm
処理温度:900℃
処理時間:60分
処理圧力:200Pa
(II)Ar/H2雰囲気よる還元処理(従来例)
Arガス中にH2を3%の割合で混合
加熱温度:900℃
Next, the GO thin film was reduced by the following treatment (I) or (II).
(I) CVD treatment using ethanol as a carbon source (example of the present invention)
Ethanol flow rate: 0.5 sccm
Carrier gas (dilution gas): Ar gas mixed with H 2 at a rate of 3% Carrier gas flow rate: 100 sccm
Processing temperature: 900 ° C
Processing time: 60 minutes Processing pressure: 200 Pa
(II) Reduction treatment by Ar / H 2 atmosphere (conventional example)
Mixing H 2 at a rate of 3% in Ar gas Heating temperature: 900 ° C
次に、このようにして還元されたrGO薄膜をチャネル層として、上記チャネル層に接続されるソース電極およびドレイン電極を、スパッタリング法により、それぞれ形成し、電界効果トランジスタ(rGO−FET)を作製した。なお、ソース電極およびドレイン電極の各材料には、Au(40nm)とNi(5nm)の積層材料を用いた。 Next, the rGO thin film thus reduced was used as a channel layer, and a source electrode and a drain electrode connected to the channel layer were formed by sputtering, respectively, to produce a field effect transistor (rGO-FET). . Note that a laminate material of Au (40 nm) and Ni (5 nm) was used for each material of the source electrode and the drain electrode.
次いで、上記rGO−FETの移動度を下式に基づいて算出した。 Next, the mobility of the rGO-FET was calculated based on the following equation.
図1に、それぞれの還元処理を行なったときの、rGO−FETのチャネル長さ(Lc;μm)と移動度(cm2/V・s)との関係を示す。 FIG. 1 shows the relationship between the channel length (L c ; μm) and the mobility (cm 2 / V · s) of the rGO-FET when each reduction treatment is performed.
ここで、平均的なGOフレークのサイズは1μm以下である。よって、図1において、チャネル長が1μm以下の区間はrGOフレークをチャネル層として有するFETの移動度を反映し、一方、チャネル長が1μm以上の区間は複数のGOフレークからなるrGO薄膜をチャネル層として有するFETの移動度を反映している。 Here, the average GO flake size is 1 μm or less. Therefore, in FIG. 1, the section having a channel length of 1 μm or less reflects the mobility of an FET having rGO flakes as a channel layer, while the section having a channel length of 1 μm or more reflects an rGO thin film comprising a plurality of GO flakes as a channel layer. This reflects the mobility of the FET as shown in FIG.
まず、図1において単一フレーク領域に着目すると、本発明のようにアルコールCVD処理により還元したときのFETの移動度は約6.5cm2/V・sであり、従来のAr/H2処理を行なったときのFETの移動度(約0.4cm2/V・s)に比べて、一桁以上の著しい向上が認められた。これは、炭素源として用いたアルコール内の炭素がGOの構造修復を促進し、π電子系の回復が起ることで移動度が向上したためと推察される。 First, focusing on the single flake region in FIG. 1, the mobility of the FET when reduced by the alcohol CVD process as in the present invention is about 6.5 cm 2 / V · s, and the conventional Ar / H 2 process is performed. Compared with the mobility of the FET (about 0.4 cm 2 / V · s) when performing the above, a remarkable improvement of one digit or more was recognized. This is presumably because the carbon in the alcohol used as the carbon source promoted the structural repair of GO and the mobility was improved by the recovery of the π-electron system.
図1において、特に注目すべき点は薄膜領域の結果である。以下に詳述するように、本発明例による還元処理を行なえば、単一フレーク領域での高い移動度が、薄膜領域にかけても維持され、殆ど変化しなかった。 In FIG. 1, the point to be particularly noted is the result of the thin film region. As described in detail below, when the reduction treatment according to the example of the present invention was performed, high mobility in the single flake region was maintained even in the thin film region and hardly changed.
まず、炭素源を含まず従来の還元処理(Ar/H2)で還元したときのチャネル層であるrGOの移動度は、単一フレークの場合に比べ、移動度が著しく低下した。この実験結果は、前述した非特許文献1の結果とも合致しており、フレーク間の散乱の影響によりグラフェン薄膜の移動度が低下したと考えられる。 First, the mobility of rGO, which is a channel layer when it is reduced by a conventional reduction treatment (Ar / H 2 ) without containing a carbon source, is significantly lower than that of a single flake. This experimental result is consistent with the result of Non-Patent Document 1 described above, and it is considered that the mobility of the graphene thin film is lowered due to the influence of scattering between flakes.
これに対し、本発明例のようにアルコールCVD処理による還元を行なった場合、チャネル層であるrGOの移動度は、単一フレーク領域から薄膜領域にかけて、殆ど変化しなかった。この結果は、アルコール内の炭素源によりπ電子系の回復・形成が促進される結果、GOフレーク間のキャリア散乱が抑制されたためと推察される。すなわち、それぞれのGOフレークのπ電子系が回復することによりフレーク間におけるπ−πスタックの相互作用が強められる;或いはフレークエッジのダングリングボンドがもう一方のダングリングボンドと結合することで、フレーク間のバリアが低下し、単一フレーク領域と同程度の移動度が観察されたものと考えられる。 On the other hand, when the reduction by the alcohol CVD treatment was performed as in the present invention example, the mobility of rGO as the channel layer hardly changed from the single flake region to the thin film region. This result is presumed to be because carrier scattering between GO flakes was suppressed as a result of the recovery and formation of the π-electron system being promoted by the carbon source in the alcohol. That is, the π-π stack interaction between the flakes is strengthened by the recovery of the π electron system of each GO flake; or the flake edge dangling bond is combined with the other dangling bond, It is considered that the mobility of the same degree as that of the single flake region was observed.
(実験例2)
ここでは、2つのGOフレークAおよびB同士が一部重なり合った試料を用いて以下の実験を行なった。
(Experimental example 2)
Here, the following experiment was performed using a sample in which two GO flakes A and B partially overlap each other.
まず、上記試料に対し、前述した実験例1に記載の(I)または(II)の還元処理を行なった。但し、上記(I)のアルコール気相処理による処理温度は850℃とし、上記(II)のAr/H2による処理温度は1000℃とした。図2(a)に、還元処理後のrGOフレークの状態を示す。 First, the reduction treatment (I) or (II) described in Experimental Example 1 was performed on the sample. However, the treatment temperature by the vapor phase treatment of alcohol (I) was 850 ° C., and the treatment temperature by Ar / H 2 of (II) was 1000 ° C. FIG. 2A shows the state of the rGO flakes after the reduction treatment.
次に、上記の各還元処理によって得られたrGOフレークにおいて、図2(a)に示す1と2の間、3と4の間(以上、単層領域)、および1と4の間、2と3の間、2と4の間、1と3の間(以上、フレーク同士が重なり合った領域)のシート抵抗を、以下のようにして算出した。まず、rGOフレークAの単層領域におけるシート抵抗ρA(単層)は、抵抗R(単層)(例えば電極1と2の間)を測定し、ρ12(単層)=R12(単層)/(LA/WA)に基づいて算出した。ここでWAおよびLAは、rGOフレークAの幅および長さの平均である。また、各フレークAおよびBが重なり合っている重複領域のシート抵抗ρA(重複)は、個々のρ(単層)および抵抗R(重複)(例えば電極1と4の間)を測定し、R(重複)=(WA/LA)ρA(単層)+(WB/LB)ρB(単層)+(W重複/L重複)ρ(重複)に基づいて算出した。ここでW重複およびL重複は、rGOフレークAおよびBが重なり合っている重複領域の幅および長さの平均である。 Next, in the rGO flakes obtained by the above reduction treatments, between 1 and 2 shown in FIG. 2 (a), between 3 and 4 (hereinafter referred to as a single layer region), between 1 and 4, 2 The sheet resistance between 1 and 3, between 2 and 4, and between 1 and 3 (the region where flakes overlap each other) was calculated as follows. First, the sheet resistance ρ A (single layer) in the single layer region of rGO flake A is measured by measuring the resistance R (single layer) (for example, between electrodes 1 and 2), and ρ 12 (single layer) = R 12 (single layer). was calculated based on the layer) / (L a / W a ). Here, W A and L A are the average of the width and length of the rGO flake A. Further, the sheet resistance ρ A (overlap) of the overlapping region where the flakes A and B overlap each other is measured by measuring individual ρ (single layer) and resistance R (overlap) (for example, between the electrodes 1 and 4). (Overlapping) = (W A / L A ) ρ A (single layer) + (W B / L B ) ρ B (single layer) + (W overlapping / L overlapping) ρ (overlapping) Here, W overlap and L overlap are the average of the width and length of the overlap region where the rGO flakes A and B overlap.
このようにして得られた結果を図2に示す。図2(b)は、アルコール気相処理(本発明例)を行なったときの結果であり、図2(c)は、Ar/H2による処理(従来例)を行なったときの結果である。 The results thus obtained are shown in FIG. FIG. 2 (b) shows the results when the alcohol vapor phase treatment (example of the present invention) is performed, and FIG. 2 (c) shows the results when the treatment with Ar / H 2 (conventional example) is performed. .
図2(c)に示すように、従来のAr/H2による還元処理では、単層領域のシート抵抗は80〜128MΩと非常に高く、フレーク同士が重なり合った重複領域のシート抵抗は、同等か、若しくは更に150MΩ程度まで増加した。この実験結果は、前述した非特許文献1の報告とも合致するものである。 As shown in FIG. 2 (c), in the conventional reduction treatment with Ar / H 2 , the sheet resistance in the single layer region is very high, 80 to 128 MΩ, and the sheet resistance in the overlapping region where the flakes overlap is equivalent. Or further increased to about 150 MΩ. This experimental result is consistent with the report of Non-Patent Document 1 described above.
これに対し、本発明のようにアルコール気相処理による還元を行なえば、シート抵抗はKΩレベルまで格段に低下した(図2(b)を参照)。更に驚くべきことに、単層領域のシート抵抗(約100〜250KΩ)に比べ、フレーク同士が重なり合った重複領域のシート抵抗の方が低減する傾向が見られ、最低で80KΩまで低下した(2と3の間)。上記の実験結果は、GOフレークとGOフレークの間ではキャリア散乱が避けられず、移動度が大幅に低下してしまうというこれまでの認識を大きく覆すものであった。 On the other hand, when the reduction by the alcohol vapor phase treatment was performed as in the present invention, the sheet resistance was remarkably reduced to the KΩ level (see FIG. 2B). More surprisingly, the sheet resistance in the overlapping region where the flakes overlap each other tends to be lower than the sheet resistance in the single layer region (about 100 to 250 KΩ), which is reduced to at least 80 KΩ (2 and Between 3). The above experimental results greatly reversed the conventional recognition that carrier scattering is unavoidable between GO flakes and GO flakes, and the mobility is greatly reduced.
このように本発明の製造方法を用いれば、GOフレーク同士が一部重なり合ったGO薄膜を還元しても電気的特性に優れたグラフェン薄膜が得られる理由としては、アルコール内の炭素源種がGOフレークの構造修復を促進し、π電子系の回復が起きることで、フレーク同士が重なり合った領域の接合が非常に強くなったためと推察される。 As described above, when the production method of the present invention is used, the reason why a graphene thin film having excellent electrical characteristics can be obtained even when a GO thin film in which GO flakes partially overlap is reduced is that the carbon source species in alcohol is GO. It is presumed that the structural repair of the flakes was promoted, and the recovery of the π-electron system occurred, so that the bonding of the region where the flakes overlapped became very strong.
図3は、上記現象を説明するための模式図である。図3(b)に示すように従来のAr/H2による還元処理を行なうと、フレーク同士が重なり合った領域の接合は非常に弱く、π電子系が局在化して全体に広がらない。そのため、シート抵抗が増加すると考えられる。これに対し、本発明のようにアルコール気相処理による還元を行なえば、図3(a)に示すように、π電子系が全体に広がるため、フレーク同士が重なり合った領域の接合は非常に強くなる。その結果、フレーク同士を一部重ねた場合でも、あたかも単一シートのような低いシート抵抗しか示さないと考えられる。 FIG. 3 is a schematic diagram for explaining the above phenomenon. As shown in FIG. 3B, when the conventional reduction process using Ar / H 2 is performed, the junction of the region where the flakes overlap is very weak, and the π electron system is localized and does not spread over the whole. Therefore, it is considered that the sheet resistance increases. On the other hand, if reduction by alcohol vapor phase treatment is performed as in the present invention, the π electron system spreads as a whole as shown in FIG. Become. As a result, even when flakes are partially overlapped, it is considered that only a low sheet resistance like a single sheet is exhibited.
上記実験例1および実験例2の結果より、アルコール気相処理による還元を行なえば、GOフレーク同士が一部重なり合っている酸化グラフェン薄膜を用いて、電気的特性に優れたグラフェン薄膜を製造できることが確認された。 From the results of Experimental Example 1 and Experimental Example 2, it is possible to produce a graphene thin film having excellent electrical characteristics using a graphene oxide thin film in which GO flakes partially overlap each other by performing reduction by alcohol vapor phase treatment. confirmed.
次に、本発明に係るグラフェン薄膜の製造方法について説明する。本発明の製造方法は、下記第1および第2の製造方法からなる。
(1)第1の製造方法
複数のGOフレーク同士が一部重なり合っているGO薄膜を準備して、これに炭素含有ガスを接触させてGO薄膜を還元する方法;好ましくは、上記炭素含有ガスが、アルコールおよび/または炭化水素、或いは、アルコールおよび/または炭化水素に水蒸気を更に含むものであり;より好ましくは、上記アルコールがエタノールであり、上記炭化水素がアセチレンである方法。
(2)第2の製造方法
GO薄膜に、炭素含有ガスとして、炭化水素、炭化水素と水との混合物、アルコールと水との混合物、または炭化水素とアルコールと水との混合物を用いる方法。
Next, the manufacturing method of the graphene thin film which concerns on this invention is demonstrated. The production method of the present invention comprises the following first and second production methods.
(1) First manufacturing method A method of preparing a GO thin film in which a plurality of GO flakes partially overlap each other and bringing the carbon-containing gas into contact therewith to reduce the GO thin film; Alcohol and / or hydrocarbon, or the alcohol and / or hydrocarbon further containing water vapor; more preferably, the alcohol is ethanol and the hydrocarbon is acetylene.
(2) Second production method A method of using a hydrocarbon, a mixture of hydrocarbon and water, a mixture of alcohol and water, or a mixture of hydrocarbon, alcohol and water as the carbon-containing gas for the GO thin film.
まず、第1の製造方法について説明する。 First, the first manufacturing method will be described.
(1)第1の製造方法
本発明に係るグラフェン薄膜の製造方法のうち第1の製造方法は、複数のGOフレーク同士が一部重なり合っている酸化グラフェン薄膜を準備する工程と、前記GO薄膜に炭素含有ガスを接触させて前記GO薄膜を還元する工程と、を含むところに特徴がある。ここで、GO薄膜に炭素含有ガスを接触させてGO薄膜を還元する方法としては、代表的には気相化学成長法(CVD法)が挙げられる。
(1) First Manufacturing Method Among the graphene thin film manufacturing methods according to the present invention, a first manufacturing method includes a step of preparing a graphene oxide thin film in which a plurality of GO flakes partially overlap each other, and the GO thin film And a step of reducing the GO thin film by bringing a carbon-containing gas into contact therewith. Here, as a method for reducing the GO thin film by bringing a carbon-containing gas into contact with the GO thin film, a vapor phase chemical growth method (CVD method) is typically mentioned.
上記第1の発明と前述した非特許文献2に記載の方法を対比すると、両者は、炭素含有ガス(炭素源)としてエタノールを用いてCVD法による還元を行なう点で共通しているが、非特許文献2では、本発明のように出発材料として複数のGOフレーク同士が一部重なり合っているGO薄膜を用いず、単一(単層)のGOフレークを使用している点で相違する。詳細には、両者におけるCVD法による還元条件も相違する(詳細は後述する)。また、非特許文献2では、グラフェン薄膜を製造することは意図しておらず、単一(単層)のGOフレークが還元されたグラフェンフレークを製造する技術が開示されているに過ぎない。 Comparing the first invention with the method described in Non-Patent Document 2 described above, both are common in that reduction is performed by CVD using ethanol as a carbon-containing gas (carbon source). Patent Document 2 is different in that a single (single layer) GO flake is used instead of a GO thin film in which a plurality of GO flakes partially overlap each other as a starting material as in the present invention. In detail, the reduction conditions by the CVD method in both are also different (details will be described later). Further, Non-Patent Document 2 does not intend to produce a graphene thin film, but merely discloses a technique for producing graphene flakes obtained by reducing single (single layer) GO flakes.
まず、GOフレークを準備する。ここで、本発明に用いられるGOフレークは、サイズ(最大幅;最大長さ)の平均がいずれも、500nm以上2000nm以下(好ましくは1μm以上であり、大きければ大きいほどよい)を有する単一(単層)の小片である。上記GOフレークは、例えば、既知のバルクグラファイトの化学剥離により製造することができる。或いは、上記GOフレークとして市販品を用いることもできる。 First, GO flakes are prepared. Here, the GO flakes used in the present invention each have an average size (maximum width; maximum length) of 500 nm to 2000 nm (preferably 1 μm or more, the larger the better). Single layer). The GO flakes can be produced, for example, by known chemical exfoliation of bulk graphite. Or a commercial item can also be used as said GO flakes.
次に、上記のGOフレークを用いて、GOフレーク同士が一部重なり合っているGO薄膜を作製する。上記GO薄膜は、例えば基板上にGOフレークの分散液を公知の方法によって塗布することにより得ることができる。その際、GOフレークの分散液の濃度や、スピンコートの塗布条件などを制御することによって、GO薄膜の層数や濃度を適切に調整することができる。 Next, using the above GO flakes, a GO thin film in which the GO flakes partially overlap each other is produced. The GO thin film can be obtained, for example, by applying a dispersion of GO flakes on a substrate by a known method. At this time, the number and concentration of the GO thin film can be appropriately adjusted by controlling the concentration of the GO flake dispersion and the spin coating conditions.
上記方法に用いられる基板は本発明の技術分野において通常用いられるものであれば特に限定されず、例えば、Si基板などが挙げられる。上記基板として、SiO2などが表面に形成されたものを用いても良い。 The substrate used in the above method is not particularly limited as long as it is usually used in the technical field of the present invention, and examples thereof include a Si substrate. As the substrate, a substrate on which SiO 2 or the like is formed may be used.
上記基板は、公知の表面改質処理によって基板表面を疎水性から親水性に改質することが好ましく、これにより、均一な大面積化グラフェン薄膜が得られる。上記表面改質処理は特に限定されず、例えば、UVオゾンを用いた洗浄法が挙げられ、UVオゾンクリーニング法が好ましい。本発明に用いられる好ましいUVオゾンクリーニング法の条件としては、例えば、以下のとおりである。
3L/minで酸素ガスを5分間流入→酸素ガスの流入停止後、60分間UV照射
The substrate is preferably modified from a hydrophobic surface to a hydrophilic surface by a known surface modification treatment, whereby a uniform large-area graphene thin film can be obtained. The surface modification treatment is not particularly limited, and examples thereof include a cleaning method using UV ozone, and a UV ozone cleaning method is preferable. The preferable conditions of the UV ozone cleaning method used in the present invention are, for example, as follows.
Inflow of oxygen gas at 3 L / min for 5 minutes → UV irradiation for 60 minutes after stopping the inflow of oxygen gas
上記方法に用いられる分散液としては、GOフレークを分散し得るものであれば特に限定されないが、例えば、水、ジメチルホルムアミド(DMF)、エタノール、アセトン、テトラヒドロフラン(THF)、ジメチルスルホキシド(DMSO)、N−メチルピロリドン(NMP)、アセトニトリル、ジメチルエーテル、トルエン;またはこれらを少なくとも二種以上含む混合物が挙げられる。GOフレーク分散液の好ましい濃度は、例えば、100〜500mg/Lの範囲である。 The dispersion used in the above method is not particularly limited as long as it can disperse GO flakes. For example, water, dimethylformamide (DMF), ethanol, acetone, tetrahydrofuran (THF), dimethyl sulfoxide (DMSO), N-methylpyrrolidone (NMP), acetonitrile, dimethyl ether, toluene; or a mixture containing at least two of these. A preferred concentration of the GO flake dispersion is, for example, in the range of 100 to 500 mg / L.
また、上記GOフレークの分散液を基板上に塗布する方法は特に限定されず、例えば、スピンコート法、キャスト法、転写法、各種の印刷方法などが挙げられる。これらのうち、スピンコート法は、均一性の高い薄膜を簡便に生成でき、膜厚の制御が可能なため、好ましく用いられる。例えば、濃度が100〜500mg/LのGO分散液を調製する場合の、スピンコートの好ましい塗布条件は、以下のとおりである。また、滴下回数を変えることによってGO薄膜の膜厚を制御することができる。
500〜2000rpmにて30〜180秒保持→1〜10秒間かけて、目的の回転数に上げる→3000〜6000rpmにて30〜180秒保持
The method for applying the GO flake dispersion on the substrate is not particularly limited, and examples thereof include a spin coating method, a casting method, a transfer method, and various printing methods. Among these, the spin coating method is preferably used because a thin film with high uniformity can be easily generated and the film thickness can be controlled. For example, when preparing a GO dispersion having a concentration of 100 to 500 mg / L, preferred application conditions for spin coating are as follows. Moreover, the film thickness of the GO thin film can be controlled by changing the number of times of dropping.
Hold for 30 to 180 seconds at 500 to 2000 rpm → Increase to the target rotational speed over 1 to 10 seconds → Hold for 30 to 180 seconds at 3000 to 6000 rpm
次に、上記のようにして得られたGO薄膜に炭素含有ガスを接触させる。 Next, a carbon-containing gas is brought into contact with the GO thin film obtained as described above.
本発明に用いられる炭素含有ガスは、炭素を有していれば良く、その種類は特に限定されないが、アルコール若しくは炭化水素、または、アルコールと炭化水素の混合物が挙げられる。上記アルコールとして、例えば、炭素数が1〜2のアルコールが挙げられる。好ましくはエタノールである。また、上記炭化水素としては、例えば炭素数が1〜2の炭化水素が挙げられる。好ましくはアセチレンである。 The carbon-containing gas used in the present invention is not particularly limited as long as it has carbon, and examples thereof include alcohols or hydrocarbons, or mixtures of alcohols and hydrocarbons. As said alcohol, C1-C2 alcohol is mentioned, for example. Ethanol is preferable. Moreover, as said hydrocarbon, a C1-C2 hydrocarbon is mentioned, for example. Acetylene is preferred.
上記炭素含有ガスは、更に水蒸気を含んでいてもよく、これにより、エッチングによるアモルファスカーボン構造の除去によるグラフェンの高品質効果が一層促進される。水蒸気の好ましい分圧は、例えば、0.01〜1Paの範囲である。 The carbon-containing gas may further contain water vapor, thereby further promoting the high quality effect of graphene by removing the amorphous carbon structure by etching. A preferable partial pressure of water vapor is, for example, in the range of 0.01 to 1 Pa.
上記GO薄膜に炭素含有ガスを接触させてGO薄膜を還元する方法としては、代表的には、気相化学成長法(CVD法)が挙げられる。CVD法の種類は特に限定されず、熱CVD法、プラズマCVD法を用いることができる。 A typical method for reducing the GO thin film by bringing a carbon-containing gas into contact with the GO thin film is a vapor phase chemical growth method (CVD method). The type of the CVD method is not particularly limited, and a thermal CVD method or a plasma CVD method can be used.
炭素含有ガスを用いてCVD法による還元を行なうにあたっては、以下のように制御することが好ましい。 In performing the reduction by the CVD method using the carbon-containing gas, it is preferable to control as follows.
まず、処理温度(還元温度)は高い程良く、これにより、グラフェンの結晶性向上を示すラマンスペクトルの比[2DバンドとGバンドとの強度比=I(2D)/I(G)]が増加する。図4に、エタノールを炭素源としたCVD処理後のGO薄膜からのラマンスペクトル、及び通常のAr/H2還元処理の比較を示す。図4に示すように、エタノールCVD処理は、通常のAr/H2処理と比較して、明らかにグラフェン薄膜の結晶性が向上している。さらに、1100℃の処理温度にてグラフェン薄膜を作製すると、ラマンスペクトルの上記比は0.7以上に高められる。ラマンスペクトルの上記比は、GOの還元や構造修復の進行とも密接に関連するため、処理温度を高くすることにより、これらの進行が一層促進される。但し、処理温度が高すぎると、CVD処理中において気相中で自発的熱分解反応により生成した炭素系分子同士の会合反応により炭素源ガスからアモルファスカーボンが生成され、これらがGO薄膜に堆積し、結晶性や電子特性の著しい劣化を引き起こしてしまう。好ましい処理温度は、例えば600〜2000℃の範囲である。ただし、気相条件の最適化により、例えば3000℃での処理も可能である。 First, the higher the treatment temperature (reduction temperature), the better, thereby increasing the Raman spectrum ratio [intensity ratio between 2D band and G band = I (2D) / I (G)] indicating the improvement in graphene crystallinity. To do. FIG. 4 shows a comparison between a Raman spectrum from a GO thin film after a CVD process using ethanol as a carbon source and a normal Ar / H 2 reduction process. As shown in FIG. 4, the ethanol CVD process clearly improves the crystallinity of the graphene thin film as compared with the normal Ar / H 2 process. Furthermore, when a graphene thin film is produced at a processing temperature of 1100 ° C., the above-mentioned ratio of Raman spectrum is increased to 0.7 or more. The above ratio of the Raman spectrum is closely related to the progress of GO reduction and structural repair. Therefore, the progress of these processes is further promoted by increasing the treatment temperature. However, if the processing temperature is too high, amorphous carbon is generated from the carbon source gas due to the association reaction between the carbon-based molecules generated by the spontaneous pyrolysis reaction in the gas phase during the CVD process, and these are deposited on the GO thin film. This will cause significant deterioration of crystallinity and electronic properties. A preferable processing temperature is, for example, in the range of 600 to 2000 ° C. However, treatment at 3000 ° C., for example, is possible by optimizing the gas phase conditions.
上記と同様の理由により、処理時間(還元時間)も長い程良い。好ましい処理時間は、例えば60〜300分の範囲である。 For the same reason as described above, the longer the processing time (reduction time), the better. A preferable processing time is, for example, in the range of 60 to 300 minutes.
更に、上記炭素含有ガスの流量や処理圧力を適切に制御することが好ましい。これにより、CVD処理後のグラフェン薄膜の品質が高められる。具体的には、炭素含有ガスの好ましい流量は、0.1〜2.0sccmである。炭素含有ガスの流量が多すぎると供給過剰になってアモルファスカーボンが生成され、電気的特性が低下する。一方、炭素含有ガスの流量が少なすぎると、当該ガス添加による効果が有効に発揮されず、グラフェン薄膜の構造修復効果が不十分である。同様の理由により、好ましい処理圧力は、100〜200Paである。 Furthermore, it is preferable to appropriately control the flow rate and processing pressure of the carbon-containing gas. Thereby, the quality of the graphene thin film after CVD processing is improved. Specifically, the preferable flow rate of the carbon-containing gas is 0.1 to 2.0 sccm. If the flow rate of the carbon-containing gas is too large, the supply will be excessive and amorphous carbon will be generated, resulting in deterioration of electrical characteristics. On the other hand, if the flow rate of the carbon-containing gas is too small, the effect of the gas addition is not exhibited effectively, and the structure repair effect of the graphene thin film is insufficient. For the same reason, a preferable processing pressure is 100 to 200 Pa.
(第2の製造方法)
本発明に係るグラフェン薄膜の製造方法のうち第2の製造方法は、GO薄膜を準備する工程と、GO薄膜に、炭素含有ガスとして、アルコールと水との混合物、または炭化水素とアルコールと水との混合物を接触させてGO薄膜を還元する工程と、を含むところに特徴がある。
(Second manufacturing method)
Of the graphene thin film manufacturing methods according to the present invention, the second manufacturing method includes a step of preparing a GO thin film, and a mixture of alcohol and water or a hydrocarbon, alcohol and water as a carbon-containing gas in the GO thin film. And a step of reducing the GO thin film by bringing the mixture into contact with each other.
上記第2の製造方法は、下記の点でのみ前述した第1の製造方法と相違し、それ以外は第1の製造方法と同じであるため、重複部分の説明は省略し、相違点のみ説明する。 Since the second manufacturing method is different from the first manufacturing method described above only in the following points, and is otherwise the same as the first manufacturing method, description of overlapping portions is omitted, and only the differences are described. To do.
両者を対比すると、上記第2の製造方法では、出発物質としてGO薄膜を用いれば良く、上記第1の製造方法のようにGOフレーク同士が一部重なり合っているGO薄膜の使用に限定されない点で、第1の製造方法と相違する。よって、上記第2の製造方法では、単一のGO薄膜も用いることができる。上記単一のGO薄膜は、例えば、化学的剥離法によって作製することができる。 In contrast, the second manufacturing method may use a GO thin film as a starting material, and is not limited to the use of a GO thin film in which GO flakes partially overlap each other as in the first manufacturing method. This is different from the first manufacturing method. Therefore, a single GO thin film can also be used in the second manufacturing method. The single GO thin film can be produced by, for example, a chemical peeling method.
更に上記第2の製造方法では、炭素含有ガスとして、アルコール単独ガスを使用しない点で前述した第1の製造方法と相違する。第2の製造方法で用いられる炭素含有ガスは、前述した非特許文献2などに開示されておらず、新規である。上記炭素含有ガスの種類やCVD法などの上限は前述した第1の製造方法を参照すれば良い。 Furthermore, the second production method is different from the first production method described above in that no alcohol single gas is used as the carbon-containing gas. The carbon-containing gas used in the second production method is not disclosed in Non-Patent Document 2 described above and is novel. For the upper limit of the type of carbon-containing gas and the CVD method, the first manufacturing method described above may be referred to.
以上、本発明に係るGO薄膜の製造方法について説明した。 The method for manufacturing the GO thin film according to the present invention has been described above.
次に、本発明の電子素子、センサー、アレイ素子、および当該アレイ素子を用いたセンシング方法について説明する。 Next, an electronic element, a sensor, an array element, and a sensing method using the array element of the present invention will be described.
本発明の電子素子は、上記製造方法によって得られたグラフェン薄膜をチャネル層に有する。上記電子素子としては、電界効果トランジスタ(FET)、ダイオード、太陽電池などが挙げられる。本発明によれば、グラフェン薄膜を大面積で形成しても、単一フレークと同様に高い移動度を有し、キャリア密度が5cm2/V・s以上と非常に高い電子素子が得られる。そのため、本発明の電子素子は、例えばpHセンサー、バイオサンサーなどのサンサーとして好適に用いられる。 The electronic device of the present invention has a graphene thin film obtained by the above manufacturing method in a channel layer. Examples of the electronic element include a field effect transistor (FET), a diode, and a solar cell. According to the present invention, even when a graphene thin film is formed in a large area, an electronic device having high mobility similar to a single flake and a very high carrier density of 5 cm 2 / V · s or more can be obtained. Therefore, the electronic device of the present invention is suitably used as a sensor such as a pH sensor or a biosensor.
以下、図5を参照しながら、本発明の製造方法によって得られたグラフェン薄膜をチャネル層に有するFETによるセンシング原理を説明する。 Hereinafter, with reference to FIG. 5, the sensing principle by the FET having the graphene thin film obtained by the manufacturing method of the present invention in the channel layer will be described.
図5(a)は、上記グラフェン薄膜をチャネル層に有するFETを備えたポテンショスタットを構成する図である。上記FETは、絶縁基板(例えば、SiO2が形成されたSi基板)と、チャネル層としてグラフェン薄膜と、上記グラフェン薄膜の両側に形成されたソース電極およびドレイン電極と、から構成される。ポテンショスタットには、参照電極RE(トップゲート電極)、カウンター電極CE、ワーキング電極WEが配置され、FETの電流および電圧が測定される。検出したい物質(イオンや電荷を有するタンパク質など)を含む電解液と接触するようにトップゲート電極が形成され、ゲート電圧が上記電解液を介して、センシング部位となるグラフェン薄膜チャネルに印加される。 FIG. 5A is a diagram illustrating a potentiostat including an FET having the graphene thin film as a channel layer. The FET includes an insulating substrate (for example, a Si substrate on which SiO 2 is formed), a graphene thin film as a channel layer, and a source electrode and a drain electrode formed on both sides of the graphene thin film. In the potentiostat, a reference electrode RE (top gate electrode), a counter electrode CE, and a working electrode WE are arranged, and the current and voltage of the FET are measured. A top gate electrode is formed so as to be in contact with an electrolytic solution containing a substance to be detected (such as ions or a protein having a charge), and a gate voltage is applied to the graphene thin film channel serving as a sensing site via the electrolytic solution.
図5(b)に示すように、FETは、グラフェン薄膜(チャネル)と、検出したい物質を含む電解液との界面で形成される電気二重層に起因するチャネルの電位変化を利用して検出物質を検知するセンサーとして作用する。例えば電解液中にイオンや電荷を有するタンパク質が含まれている場合、当該タンパク質がグラフェン薄膜の表面に近づくことで、イオンやタンパク質がキャパシタとして作用してグラフェン薄膜の表面に吸着し、グラフェン薄膜のポテンシャルが変調する。これにより、図5(c)に示すようにゲート電圧の基準電位が変化(右にシフト)し、FETのソース・ドレイン電流が変化する。これは、実効的にグラフェン薄膜にゲート電圧が印加されたことに等しい。よって、上記ソース・ドレイン電流の変化を測定することにより、イオンやタンパク質の吸着を検出することができる。 As shown in FIG. 5B, the FET is a detection substance utilizing a change in the potential of the channel caused by the electric double layer formed at the interface between the graphene thin film (channel) and the electrolyte containing the substance to be detected. Acts as a sensor to detect For example, if the electrolyte contains proteins with ions or charges, the ions approach the surface of the graphene thin film so that the ions and proteins act as capacitors and adsorb on the surface of the graphene thin film. The potential is modulated. As a result, the reference potential of the gate voltage changes (shifts to the right) as shown in FIG. 5C, and the source / drain current of the FET changes. This is equivalent to the gate voltage being effectively applied to the graphene thin film. Therefore, by measuring the change in the source / drain current, adsorption of ions and proteins can be detected.
本発明の電子素子は、例えばpHセンサーとして有用であり、高い感度でpHの変化を検出することができる。例えば、緩衝溶液中のpHを段階的に変化させた場合、本発明の製造方法によって得られたグラフェン薄膜をチャネル層に有するFETを用いてFETのソース・ドレイン電流の変化を測定すると、上記ソース・ドレイン電流は、pHの変化に対応して明瞭に段階的な変化を示すようになる。 The electronic device of the present invention is useful as a pH sensor, for example, and can detect a change in pH with high sensitivity. For example, when the pH in the buffer solution is changed stepwise, when the change in the source / drain current of the FET is measured using the FET having the graphene thin film obtained by the manufacturing method of the present invention in the channel layer, the source -The drain current clearly shows a stepwise change corresponding to the change in pH.
本発明によれば、電子素子の集積化が可能なため、電界効果トランジスタなどの電子素子を複数有するアレイ素子などに適用可能である。上記アレイ素子を用いたセンシング方法により、pHの段階的な変化を明瞭に検出することができる。或いは、複数の被験物質から特定の被験物質を選択的に、感度良く検出することができる。 According to the present invention, since electronic elements can be integrated, the present invention can be applied to an array element having a plurality of electronic elements such as field effect transistors. The stepwise change in pH can be clearly detected by the sensing method using the array element. Alternatively, a specific test substance can be selectively detected from a plurality of test substances with high sensitivity.
以下、図6のアレイ素子を用いて本発明のセンシング方法を説明する。ただし、図6は、本発明に係るアレイ素子の一実施形態を示す図であって、本発明のアレイ素子はこれに限定する趣旨ではない。 Hereinafter, the sensing method of the present invention will be described using the array element of FIG. However, FIG. 6 is a diagram showing an embodiment of the array element according to the present invention, and the array element of the present invention is not limited to this.
図6に示すように、アレイ素子10は、基板1の上に、上記製造方法によって得られたグラフェン薄膜2と、少なくとも第1の電界効果トランジスタ7aと第2の電界効果トランジスタ7bを有する。グラフェン薄膜2は、少なくとも第1領域のグラフェン薄膜2aと第2領域のグラフェン薄膜2bとを有している。第1の電界効果トランジスタ7aは、第1領域のグラフェン薄膜2aを有する第1のチャネル層と、第1のチャネル層の両側に設置された第1のソース電極3aおよび第1のドレイン電極4aと、第1のゲート電極5aと、を有する。同様に第2の電界効果トランジスタ7bは、第2領域のグラフェン薄膜2bを有する第2のチャネル層と、第2のチャネル層の両側に設置された第2のソース電極3bおよび第2のドレイン電極4bと、第2のゲート電極5bと、を有する。 As shown in FIG. 6, the array element 10 includes a graphene thin film 2 obtained by the above manufacturing method, at least a first field effect transistor 7 a and a second field effect transistor 7 b on a substrate 1. The graphene thin film 2 has at least a graphene thin film 2a in the first region and a graphene thin film 2b in the second region. The first field effect transistor 7a includes a first channel layer having a graphene thin film 2a in a first region, a first source electrode 3a and a first drain electrode 4a disposed on both sides of the first channel layer. And a first gate electrode 5a. Similarly, the second field effect transistor 7b includes a second channel layer having the graphene thin film 2b in the second region, and a second source electrode 3b and a second drain electrode provided on both sides of the second channel layer. 4b and a second gate electrode 5b.
第1領域のグラフェン薄膜2aおよび第2領域のグラフェン薄膜2bの表面には、それぞれ、第1の被験物質および第2の被験物質と選択的に結合する第1の官能基および第2の官能基が結合されている。 On the surfaces of the graphene thin film 2a in the first region and the graphene thin film 2b in the second region, a first functional group and a second functional group that selectively bind to the first test substance and the second test substance, respectively. Are combined.
ターゲットとなる第1の被験物質および第2の被験物質は同一であっても良いし、異なっていても良い。上記被験物質の種類は特に限定されず、例えば、DNA、抗体、タンパク質などが挙げられる。 The target first test substance and second test substance may be the same or different. The kind of said test substance is not specifically limited, For example, DNA, an antibody, protein etc. are mentioned.
第1および第2の官能基の種類は、被験物質の種類に応じて適宜選択され得る。例えば特定の抗体と選択的に結合する抗原、特定のDNAやペプチドと選択的に結合するDNAアプタマーやペプチドアプタマーなどのアプタマー分子などが挙げられる。 The kind of the 1st and 2nd functional group can be suitably selected according to the kind of test substance. Examples thereof include an antigen that selectively binds to a specific antibody, and an aptamer molecule such as a DNA aptamer or a peptide aptamer that selectively binds to a specific DNA or peptide.
上記のアレイ素子を用いて検出溶液中の被験物質を検知するセンシング方法は、第1の被験物質を含む第1の検出溶液6a、および第2の被験物質を含む第2の検出溶液6bをそれぞれ、第1のチャネル層、および第2のチャネル層に接触させるステップと、第1の被験物質および第2の被験物質がそれぞれ、第1の官能基および第2の官能基に結合することによって生じる第1のチャネル層および第2のチャネル層の電位変化を検出して第1の被験物質および第2の被験物質を検知するステップと、を含む。 The sensing method for detecting the test substance in the detection solution using the array element described above includes the first detection solution 6a containing the first test substance and the second detection solution 6b containing the second test substance, respectively. , Contacting the first channel layer and the second channel layer, and binding the first test substance and the second test substance to the first functional group and the second functional group, respectively. Detecting potential changes in the first channel layer and the second channel layer to detect the first test substance and the second test substance.
上記センシング方法によれば、前述した図5に示すセンシング原理により、同種または複数種の被験物質を同時に感度良く検出することができる。例えば、上記センシング方法において第1の被験物質と第2の被験物質が同じ場合、被験物質間のバラツキなどを検知することが可能である。また、上記センシング方法において第1の被験物質と第2の被験物質が異なる場合、種類の異なる被験物質を同時に感度良く検知することが可能である。 According to the above sensing method, the same kind or plural kinds of test substances can be simultaneously detected with high sensitivity by the sensing principle shown in FIG. For example, when the first test substance and the second test substance are the same in the sensing method, it is possible to detect variations between the test substances. Further, when the first test substance and the second test substance are different in the sensing method, it is possible to simultaneously detect different types of test substances with high sensitivity.
以下、図7および図8を参照しながら、本発明に係るアレイ素子およびセンシング方法の有用性について、更に詳しく説明する。 Hereinafter, the usefulness of the array element and the sensing method according to the present invention will be described in more detail with reference to FIGS.
図7は、ワンチップ上に電界効果トランジスタ(FET)を複数、並列に配置したアレイ素子を用いたときのpHセンシングの結果を示す図である。いずれのFETにおいても、各pH値(pH=4.0、5.1、8.2)に対して明瞭なソース・ドレイン電流の変化が得られ、各素子の感度にバラツキは殆ど見られなかった。詳細には図中、ΔISDは、それぞれのFETについて、pHの変化(pH4.0からpH8.2)に対するソース・ドレイン電流ISDの変化を示しているが、いずれのFETにおいても、ΔISDは略同程度(約0.14μA±10%)であった。この結果は、均一な大面積グラフェン薄膜を、高感度で得られることを意味している。 FIG. 7 is a diagram showing the results of pH sensing when an array element in which a plurality of field effect transistors (FETs) are arranged in parallel on one chip is used. In any FET, a clear change in source / drain current is obtained for each pH value (pH = 4.0, 5.1, 8.2), and there is almost no variation in sensitivity of each element. It was. In the figure in particular, [Delta] I SD for each of the FET, but shows a change in the source-drain current I SD to changes in pH (pH 4.0 from pH 8.2), in any of the FET, [Delta] I SD Was approximately the same (about 0.14 μA ± 10%). This result means that a uniform large area graphene thin film can be obtained with high sensitivity.
図8は、ワンチップ上に上記FETを複数、並列に配置したアレイ素子を用いたときの、被験溶液中のタンパク質検出実験の結果を示す図である。被験溶液中には、ターゲットタンパク質のヒト免疫グロブリンE(IgE:50nM)と、非ターゲットタンパク質のウシ血清アルブミン(BSA:50nM)の両方が含まれている。また、本発明の製造方法によって得られたグラフェン薄膜の表面には、予めターゲットタンパク質のIgEとのみ選択的に結合するアプタマー分子としてIgEアプタマーが配置されている。 FIG. 8 is a diagram showing the results of a protein detection experiment in a test solution when an array element in which a plurality of the FETs are arranged in parallel on one chip is used. The test solution contains both the target protein human immunoglobulin E (IgE: 50 nM) and the non-target protein bovine serum albumin (BSA: 50 nM). In addition, an IgE aptamer is arranged in advance on the surface of the graphene thin film obtained by the production method of the present invention as an aptamer molecule that selectively binds only to the target protein IgE.
図8に示すように、非ターゲットタンパク質(BSA)を注入してもFETのソース・ドレイン電流の変化は認められなかったが、ターゲットタンパク質(IgE)を注入すると、FETのソース・ドレイン電流の変化が明瞭に観察された。すなわち、本発明のアレイ素子を用いれば、既存の表面プラズモン(SPR)と同程度の高い感度(nMレベル)で特定のタンパク質を選択的に検出できることが分かった。 As shown in FIG. 8, no change in the source / drain current of the FET was observed even when the non-target protein (BSA) was injected, but when the target protein (IgE) was injected, the change in the source / drain current of the FET was observed. Was clearly observed. That is, it was found that a specific protein can be selectively detected with high sensitivity (nM level) similar to that of the existing surface plasmon (SPR) by using the array element of the present invention.
上記では、一種類のターゲットタンパク質と選択的に結合するアダプター分子を用いて当該タンパク質を選択的に検出したが、本発明はこれに限定されない。多数のターゲットタンパク質を同時に検出したい場合は、前述した図6に示すように、第1領域のグラフェン薄膜および第2領域のグラフェン薄膜のそれぞれの表面に、各ターゲットタンパク質と特異的に結合する、異なる官能基を配置させれば良い。また、ターゲットとなる物質は、タンパク質に限定されない。 Although the said protein was selectively detected using the adapter molecule | numerator selectively couple | bonded with one type of target protein in the above, this invention is not limited to this. When it is desired to detect a large number of target proteins at the same time, as shown in FIG. 6 described above, each target protein specifically binds to the surface of the graphene thin film in the first region and the graphene thin film in the second region. A functional group may be arranged. Moreover, the target substance is not limited to protein.
このように本発明の技術を用いれば、特定のタンパク質を選択的に高感度で検出できるため、例えば、簡便な腫瘍マーカーや免疫反応検査などのように製薬分野、診断医療分野といった広範囲の分野への応用、展開が期待できる。 As described above, by using the technique of the present invention, a specific protein can be selectively detected with high sensitivity. Thus, for example, to a wide range of fields such as a pharmaceutical field and a diagnostic medical field such as a simple tumor marker and an immune reaction test. Can be expected to be applied and expanded.
1 基板
2 グラフェン薄膜
2a 第1領域のグラフェン薄膜
2b 第2領域のグラフェン薄膜
3a 第1のソース電極
3b 第2のソース電極
4a 第1のドレイン電極
4b 第2のドレイン電極
5a 第1のゲート電極
5b 第2のゲート電極
6a 第1の被験物質を含む第1の検出溶液
6b 第2の被験物質を含む第2の検出溶液
7a 第1の電界効果トランジスタ
7b 第2の電界効果トランジスタ
10 アレイ素子
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Substrate 2 Graphene thin film 2a Graphene thin film 2a of 1st area | region 2b Graphene thin film of 2nd area | region 3a 1st source electrode 3b 2nd source electrode 4a 1st drain electrode 4b 2nd drain electrode 5a 1st gate electrode 5b Second gate electrode 6a First detection solution containing first test substance 6b Second detection solution containing second test substance 7a First field effect transistor 7b Second field effect transistor 10 Array element
Claims (12)
前記酸化グラフェン薄膜に炭素含有ガスを接触させて前記酸化グラフェン薄膜を還元する工程と、
を含むことを特徴とするグラフェン薄膜の製造方法。 Preparing a graphene oxide thin film in which a plurality of graphene oxide flakes partially overlap each other;
Reducing the graphene oxide thin film by bringing a carbon-containing gas into contact with the graphene oxide thin film;
A method for producing a graphene thin film, comprising:
前記酸化グラフェン薄膜に、炭素含有ガスとして、炭化水素、炭化水素と水との混合物、アルコールと水との混合物、または炭化水素とアルコールと水との混合物を接触させて前記酸化グラフェン薄膜を還元する工程と、
を含むことを特徴とするグラフェン薄膜の製造方法。 Preparing a graphene oxide thin film;
The graphene oxide thin film is reduced by bringing the graphene oxide thin film into contact with a hydrocarbon, a mixture of hydrocarbon and water, a mixture of alcohol and water, or a mixture of hydrocarbon, alcohol and water as a carbon-containing gas. Process,
A method for producing a graphene thin film, comprising:
請求項1〜6のいずれかに記載の製造方法によって得られた少なくとも第1領域と第2領域とを有するグラフェン薄膜と;
前記第1領域のグラフェン薄膜を有する第1のチャネル層と、前記第1のチャネル層の両側に設置された第1のソース電極および第1のドレイン電極と、第1のゲート電極と、を有する第1の電界効果トランジスタと;
前記第2領域のグラフェン薄膜を有する第2のチャネル層と、前記第2のチャネル層の両側に設置された第2のソース電極および第2のドレイン電極と、第2のゲート電極と、を有する第2の電界効果トランジスタと;
を有するアレイ素子であって、
前記第1領域のグラフェン薄膜の表面に、第1の被験物質と結合する第1の官能基を有し、
前記第2領域のグラフェン薄膜の表面に、第2の被験物質と結合する第2の官能基を有し、
前記第1の被験物質と前記第2の被験物質、および前記第1の官能基と前記第2の官能基は、それぞれ、同一または異なるものであることを特徴とするアレイ素子。 On the same substrate
A graphene thin film having at least a first region and a second region obtained by the production method according to claim 1;
A first channel layer having a graphene thin film in the first region; a first source electrode and a first drain electrode provided on both sides of the first channel layer; and a first gate electrode. A first field effect transistor;
A second channel layer having a graphene thin film in the second region; a second source electrode and a second drain electrode provided on both sides of the second channel layer; and a second gate electrode. A second field effect transistor;
An array element comprising:
On the surface of the graphene thin film in the first region, the first functional group that binds to the first test substance,
A second functional group that binds to a second test substance on the surface of the graphene thin film in the second region;
The array element, wherein the first test substance and the second test substance, and the first functional group and the second functional group are the same or different, respectively.
前記第1の被験物質を含む第1の検出溶液、および前記第2の被験物質を含む第2の検出溶液をそれぞれ、前記第1のチャネル層、および前記第2のチャネル層に接触させるステップと、
前記第1の被験物質および前記第2の被験物質がそれぞれ、前記第1の官能基および前記第2の官能基に結合することによって生じる前記第1のチャネル層および前記第2のチャネル層の電位変化を検出して前記第1の被験物質および前記第2の被験物質を検知するステップと、
を含むことを特徴とするセンシング方法。 A sensing method for detecting a test substance in a detection solution using the array element according to claim 11,
Contacting the first detection solution containing the first test substance and the second detection solution containing the second test substance with the first channel layer and the second channel layer, respectively. ,
The potentials of the first channel layer and the second channel layer generated when the first test substance and the second test substance are bonded to the first functional group and the second functional group, respectively. Detecting a change to detect the first test substance and the second test substance;
A sensing method comprising:
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