JP2019050160A - 導電体、及び導電体の製造方法 - Google Patents

導電体、及び導電体の製造方法 Download PDF

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【課題】品質が良好な導電体、及び品質が良好な導電体を製造する製造方法を提供する。【解決手段】本発明の導電体1は、Cuで形成された線材10と、線材10の表面を覆うグラフェン層11とを備えている。また、本発明の導電体1の製造方法は、Cuで形成された線材10の表面にグラフェン層11を成長させる第1グラフェン層成長工程と、第1グラフェン層形成工程の後に、表面にメッキにより被覆層12を形成する第1被覆層形成工程とを備えている。【選択図】図1

Description

本発明は導電体、及び導電体の製造方法に関するものである。
グラフェンは、その優れた電気的特性や光学的特性から配線材料や透明電極等、様々な応用が期待される。近年、電気配線の特性を向上させるため、グラフェンと金属との複合材料を用いた導電体について研究が行われている。
例えば、非特許文献1に開示された導電体は、銅と酸化グラフェンの粉末を焼結し複合材料を形成している。この結果、導電体の機械的特性は大幅に向上した。しかしながら、電気特性の向上は大きいものでなかった。この原因として、この様に形成した複合材料中の酸化グラフェンは粉末状であり、連続的につながった構造を持たないことが考えられる。さらに、同時に、銅で形成された基板の表面にCVD法を用いてグラフェン層を生成し、さらにその表面に平板状の銅箔を貼着して形成されている構造を用いて、グラフェンと銅箔の間の粘着力を調べている。この構造の様にグラフェンが連続的であれば、電気特性の向上は期待できる。
Jaewon Hwang,Taeshik Yoon,Sung Hwan Jin,Jinsup Lee,Taek-Soo Kim,Soon Hyung Hong,and Seokwoo Jeon" Enhanced Mechanical Properties of Graphene/Copper Nanocomposites Using a Molecular-Level Mixing Process"、Advanced Materials.2013年, 25, pp.6724-6729
しかし、この導電体は銅箔をグラフェン層の表面に単に貼着しているだけである。よって、銅箔とグラフェン層との結合力は強くなく、グラフェンと銅箔とが剥離し易く、剥離することによってその構造が破壊されるおそれがある。また、銅箔は貼着する対象物の表面にうねりや細かな凹凸がある場合、その形状に沿って表面の全体にわたり一様に貼着することが難しい。このため、この導電体は場所により特性に斑、ならびに粘着力の不均一が生じるおそれがある。一方で、厚みをより薄くした銅箔であれば、うねりや細かな凹凸を有した対象物の表面に貼着し易くなり、対象物が有したうねりや細かな凹凸に対してもしなやかに対応できるが、銅箔の厚みが薄くなるほど銅箔の取り扱いならびに作製が難しくなる。このため、この種の導電体は製造するのに困難が伴う。一方、銅箔が厚い場合、作製した導電体が変形すると、貼着した銅箔とグラフェンとの間に応力が発生して、銅箔とグラフェンとが剥離し、結果的にこの導電体中に亀裂が発生してしまうという問題がある。
本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、品質の良好な導電体、及び品質の良好な導電体を製造する製造方法を提供することを解決すべき課題としている。
本発明の導電体は、
金属で形成された線材と、
前記線材の表面を覆うグラフェン層と、
を備えていることを特徴とする。
本発明の導電体は金属で形成された線材の表面をグラフェン層で覆っている。グラフェン層はグラフェン層を形成した表面が酸化することを遅らせることができる。このため、この導電体は金属で形成された線材の表面の酸化を遅らせることができる。このため、この導電体は酸化による電気的特性等の変化を抑えることができ、さらに、導電体の寿命をより長くすることができる。
また、本発明の導電体の製造方法は、
金属で形成された基体の表面にグラフェン層を成長させる第1グラフェン層成長工程と、
前記第1グラフェン層形成工程の後に、表面にメッキにより被覆層を形成する第1被覆層形成工程と、
を備えていることを特徴とする。
本発明の導電体の製造方法は、メッキにより第1被覆層形成工程を実行する。これにより、この導電体の製造方法は、第1グラフェン層形成工程を実行した後の表面がうねりや細かな凹凸を有していても、表面の全体にわたり一様に被覆層が形成された導電体を製造することができる。また、第1被覆層形成工程におけるメッキを実施する際の条件を変更することによって、被覆層の厚みを所望の厚みに容易にすることができる。
したがって、本発明の導電体は品質が良好であり、本発明の導電体の製造方法は、品質の良好な導電体を製造することができる。
実施例1の導電体の製造方法を示す概略図である。 実施例1の線材の表面のSEM画像であり、(A)は平坦化処理工程を実行する前の線材の表面の状態を示し、(B)は平坦化処理工程を実行した後の線材の表面の状態を示す。 実施例1の導電体の製造方法の第1被覆層形成工程のメッキを実行するメッキ装置の概略図であり、(A)は表面にグラフェン層が成長した線材、及び原料である銅箔の一部をメッキ溶液に浸した状態を示し、(B)は表面にグラフェン層が成長した線材の表面に被覆層が形成された状態を示す。 パルスメッキにおける時間に対するパルス電流の大きさの変化を示すグラフである。 比較例1、2の導電体のサンプルの表面の状態を示すSEM画像であり、(A)は比較例1の導電体のサンプルの表面の状態を示し、(B)は(A)をさらに拡大して示し、(C)は比較例2の導電体のサンプルの表面の状態を示し、(D)は(C)をさらに拡大して示したものである。 比較例3、4、5の導電体のサンプルの表面の状態を示すSEM画像であり、(A)は比較例3の導電体のサンプルの表面の状態を示し、(B)は(A)をさらに拡大して示し、(C)は比較例4の導電体のサンプルの表面の状態を示し、(D)は(C)をさらに拡大して示し、(E)は比較例5の導電体のサンプルの表面の状態を示し、(F)は(E)をさらに拡大して示したものである。 実施例2、3の導電体のサンプルの表面の状態を示すSEM画像であり、(A)は実施例2の導電体のサンプルの表面の状態を示し、(B)は(A)をさらに拡大して示し、(C)は実施例3の導電体のサンプルの表面の状態を示し、(D)は(C)をさらに拡大して示したものである。 メッキを施す対象物として一般的な材料の表面に直流電流を用いた電解メッキを実施した場合における、材料の表面の様子の変化を示す概略図である。 グラフェン層の表面に直流電流を用いた電解メッキを実施した場合における、グラフェン層の表面の様子の変化を示す概略図である。 グラフェン層の表面に、より大きな直流電流を用いた電解メッキを実施した場合における、表面の様子の変化を示す概略図である。 他の実施例であって、(A)は斜め上方から見た斜視図であり、(B)は(A)における矢示A−A断面図である。
本発明における好ましい実施の形態を説明する。
本発明の導電体はグラフェン層の表面を覆う金属で形成された被覆層を備え得る。この場合、線材の表面からグラフェン層が剥離しても、剥離したグラフェン層は金属で形成された線材と被覆層との間に保持される。このため、この導電体は剥離したグラフェン層が導電体として作用しなくなることを抑えることができる。その結果、本構造を持つ導電体はより大きな曲率の変形に対しても耐性を持ち、その特性の劣化が小さい。
本発明の導電体は被覆層の表面にグラフェン層と金属で形成された被覆層の順に少なくとも一層が積層され得る。この場合、この導電体はグラフェン層と被覆層とを積層する数を変更することにより、所望の特性にすることができる。
本発明の導電体の製造方法は第1被覆層形成工程の後に、表面にグラフェン層を成長させる第2グラフェン層形成工程と、表面にメッキにより被覆層を形成する第2被覆層形成工程の順に少なくとも第2グラフェン層成長工程を実行し得る。この場合、この導電体の製造方法は第2グラフェン層形成工程と第2被覆層形成工程とを実行する回数を変更することにより、グラフェン層と被覆層とを積層する数を変更することができ、所望の特性を有した導電体を製造することができる。
本発明の導電体の製造方法の第1被覆層形成工程及び第2被覆層形成工程は電解メッキにより被覆層を形成し得る。この場合、この導電体の製造方法は電解メッキにおける電流値や電流を流す時間等の条件を変更することによって、被覆層の厚みを所望の厚みに容易にすることができる。
本発明の導電体の製造方法の電解メッキはパルスメッキであり得る。この場合、デューティー比を調整することによって、表面の全体にわたり一様に、より厚みが薄い被覆層を容易に形成することができる。
本発明の導電体の製造方法の金属はCuであり得る。Cuはグラフェンの成長に用いられる一般的な触媒金属の一つである。また、Cuは配線材料としても一般的な材料である。このため、この導電体の製造方法は様々な設備や装置等に容易に適用することができる導電体を製造することができる。
本発明の導電体の製造方法の基体は線材であり得る。この場合、この導電体の製造方法はより様々な設備や装置等に容易に適用することができる導電体を製造することができる。
次に、本発明の導電体、及び導電体の製造方法を具体化した実施例1〜3について、図面を参照しつつ説明する。
<実施例1>
実施例1は、後述する実施例2、3、及び比較例1〜5のサンプルに共通する製造方法を示すものである。
先ず、図1(A)に示すように、基体である線材10を用意する。線材10は金属であるCuで形成されており、一方向に長く延びて形成されている。また、線材10は一方向に長く延びた方向に直交する方向の断面形状が円形状である。線材は円形状の直径が0.16mmであり、一方向に延びる長さが10cmである。そして、線材10を熱処理装置内にセットする(図示せず。)。熱処理装置は、例えば、赤外線ランプアニール装置であり、石英管で形成された炉(以降、反応炉という。)を備えている。熱処理装置はCVD法(化学気相成長法)を実行することができる。
次に、線材10の表面を平坦化する平坦化処理工程を実行する。反応炉内にN2(窒素)、及びH2(水素)を供給する。反応炉内へのN2、及びH2の供給量は、それぞれ1000[mL/min]、50[mL/min]である。反応炉内の気圧は大気圧である。そして、反応炉内の温度を上昇させて、線材10の温度を所定の温度まで上昇させる。所定の温度はおよそ1000℃である。そして、線材10に対して所定の時間の熱処理を施す。所定の時間はおよそ2時間である。これにより、線材10の表面に付着していた不純物を除去すると共に、線材10の表面の平坦性を改善することができる。平坦化処理工程を実行する前の線材10の表面には凹凸が現われている(図2(A)参照。)。これに対して、平坦化処理工程を実行した後の線材10の表面には凹凸が現れていない(図2(B)参照。)。
次に、図1(B)に示すように、Cuで形成された基体である線材10の表面にグラフェン層11を成長させる第1グラフェン層成長工程を実行する。具体的にはグラフェンの原料であるエタノールをN2でバブリングして、反応炉内にエタノールを供給する。
第1グラフェン層成長工程における反応炉内へのN2、及びH2の供給量は、それぞれ1000[mL/min]、50[mL/min]である。反応炉内の温度はおよそ1000℃である。反応炉内にエタノールを供給する時間はおよそ2時間である。そして、線材10の温度を急激に下げる。これにより、線材10の表面にグラフェン層11を成長させることができる。
次に、図1(C)に示すように、第1グラフェン層成長工程の後に、表面にメッキにより被覆層12を形成する第1被覆層形成工程を実行する。
ここで、第1被覆層形成工程におけるメッキの実施方法について説明する。
第1被覆層形成工程、及び後述する第2被覆層形成工程におけるメッキは電解メッキであるパルスメッキを用いる。電解メッキはメッキを実施する対象物の表面に凹凸を有していても、表面の全体にわたり一様に被覆層を形成することができる。これに対して、真空蒸着法はメッキを実施する対象物の表面に凹凸を有していると、凸部の陰に被覆物が照射されないなどの不都合が生じ、表面の全体にわたり一様に被覆層を形成することが困難である。
パルスメッキを実施するメッキ装置Fは、図3(A)、(B)に示すように、メッキ槽B、メッキ槽Bに保持されたメッキ溶液S、及び電源(図示せず)を有している。メッキ溶液Sは塩酸や硫酸銅である。電源はパルス電流を発生することができる。
ここで、パルス電流とは、図4に示すように、所定の時間(以下、パルス周期という)T毎に、時間Tpの間、電流値Ipの電流が流れるものである。また、隣り合うパルス電流Pの間のパルス電流Pが流れない時間はTiである。また、Tp/Tをデューティー比Dと呼ぶ。例えば、Tpが0.2秒で、パルス周期Tが1秒である場合のデューティー比Dは20%である。また、Tp=Tの場合のデューティー比Dは100%であり、電流値Ipの直流電流であることを示す。
また、図3(A)、(B)に示すように、電源のマイナス端子側には、表面にグラフェン層11が成長した線材10が電気的に接続されている。そして、電源のプラス端子側には、原料である銅箔30が電気的に接続されている。これら線材10及び銅箔30は一部をメッキ溶液Sに浸している。具体的には、線材10はおよそ30mmの長さメッキ液中に浸っている。
そして、線材10と銅箔30との間にパルス電流Pを流す。すると、線材10の表面に銅箔30から溶け出したCuが付着して被覆層12を形成する(図3(B)参照。)。こうして、第1被覆層形成工程は電解メッキであるパルスメッキにより被覆層12を形成する。ここで、電流値Ipは、100mAであり、メッキ液中に浸った線材10の直径0.16mmおよび長さ約30mmを考慮すると電流の面密度は6.3mA/cm2となる。なお、電流の面密度はこの値に限らず、4mA/cm2から8mA/cm2の範囲でもよく、さらには、1mA/cm2から15mA/cm2の範囲でもデューティー比Dの調整により使用可能である。
次に、図1(D)、(E)に示すように、第1被覆層形成工程の後に、表面にグラフェン層11を成長させる第2グラフェン層成長工程と、表面にメッキにより被覆層12を形成する第2被覆層形成工程の順に少なくとも第2グラフェン層成長工程を実行する。第2グラフェン層成長工程は、線材10の表面に替えて被覆層12の表面にグラフェン層11を形成する点が第1グラフェン層成長工程と異なる。具体的には、表面に被覆層12が形成された線材10を再び反応炉内にセットする(図示せず。)。そして、平坦化処理工程を実行した後、第2グラフェン層成長工程を実行する。
そして、線材10を反応炉から取り出し、第2被覆形成工程を実行する。第2被覆層形成工程は、線材10の表面に成長したグラフェン層11の表面に替えて、被覆層12の表面に成長したグラフェン層11の表面に被覆層12を形成する点が第1被覆層形成工程と異なる。こうして、第2被覆層形成工程は電解メッキであるパルスメッキにより被覆層12を形成する。
これにより、線材10の表面にグラフェン層11と被覆層12とを1ペアとして、この1ペアが2ペア積層した導電体1を製造することができる。こうして製造された導電体1はCuで形成された線材10と、線材10の表面を覆うグラフェン層11を備えている。また、導電体1はグラフェン層11の表面を覆うCuで形成された被覆層12を備えている。また、導電体1は被覆層12の表面にグラフェン層11とCuで形成された被覆層12の順に積層されている。
このように、導電体1はCuで形成された線材10の表面をグラフェン層11で覆っている。グラフェン層11はグラフェン層11を形成した表面が酸化することを遅らせることができる。このため、導電体1はCuで形成された線材10の表面の酸化を遅らせることができる。このため、導電体1は酸化による電気的特性等の変化を抑えることができ、さらに、導電体1の寿命をより長くすることができる。
また、導電体1の製造方法は、メッキにより第1被覆層形成工程を実行する。これにより、導電体1の製造方法は、第1グラフェン層形成工程を実行した後の表面にうねりや細かな凹凸を有していても、表面の全体にわたり一様に被覆層12が形成された導電体1を製造することができる。また、第1被覆層形成工程におけるメッキを実施する際の条件を変更することによって、被覆層12の厚みを所望の厚みに容易にすることができる。
したがって、実施例1の導電体は品質が良好であり、実施例1の導電体の製造方法は、品質の良好な導電体を製造することができる。
また、導電体1はグラフェン層11の表面を覆うCuで形成された被覆層12を備えている。このため、線材10の表面からグラフェン層11が剥離しても、剥離したグラフェン層11は金属で形成された線材10と被覆層12との間に保持される。このため、導電体1は剥離したグラフェン層11が導電体1として作用しなくなることを抑えることができる。その結果、本構造を持つ導電体1はより大きな曲率の変形に対しても耐性を持ち、その特性の劣化が小さい。
また、導電体1は被覆層12の表面にグラフェン層11と、Cuで形成された被覆層12の順に積層している。このため、導電体1はグラフェン層11と被覆層12とを積層する数を変更することにより、所望の特性にすることができる。
また、導電体1の製造方法は第1被覆層形成工程の後に、表面にグラフェン層11を成長させる第2グラフェン層形成工程と、表面にメッキにより被覆層12を形成する第2被覆層形成工程の順に実行する。このため、導電体1の製造方法は第2グラフェン層形成工程と第2被覆層形成工程とを実行する回数を変更することにより、グラフェン層11と被覆層12とを積層する数を変更することができ、所望の特性を有した導電体1を製造することができる。
また、導電体1の製造方法の第1被覆層形成工程及び第2被覆層形成工程は電解メッキにより被覆層12を形成する。このため、導電体1の製造方法は電解メッキにおける電流値や電流を流す時間等の条件を変更することによって、被覆層12の厚みを所望の厚みに容易にすることができる。
また、導電体1の製造方法の電解メッキはパルスメッキである。このため、デューティー比Dを調整することによって、表面の全体にわたり一様に、より厚みが薄い被覆層12を容易に形成することができる。
また、導電体1の製造方法の金属はCuである。Cuはグラフェン層11の成長に用いられる一般的な触媒金属の一つである。また、Cuは配線材料としても一般的な材料である。このため、導電体1の製造方法は様々な設備や装置等に容易に適用することができる導電体1を製造することができる。
また、導電体1の製造方法の基体は線材10である。このため、導電体1の製造方法はより様々な設備や装置等に容易に適用することができる導電体1を製造することができる。
<実施例2、3、及び比較例1〜5>
実施例1の製造方法において、図1(A)〜(C)までの工程(平坦化処理工程、第1グラフェン層成長工程、及び第1被覆層形成工程)を実行した後の比較例1、2の導電体のサンプルのSEM画像を図5(A)〜(D)に示す。比較例1、2の導電体のサンプルは第1被覆層形成工程において、直流電流(すなわち、デューティー比Dが100%)でメッキを行っている。また、比較例1の導電体のサンプルは電流値Ipが0.1mAで、メッキを実施した時間が60分である。また、比較例2のサンプルは電流値Ipが5mAで、メッキを実施した時間が40秒である。
比較例1、2の導電体のサンプルは、グラフェン層11が形成された線材の表面に粒状のCuの固まり53が複数形成されている。また、比較例2の導電体のサンプルは、比較例1の導電体のサンプルに比べて各粒状のCuの固まり53の大きさが僅かに小さい。
また、比較例2の導電体のサンプルは、比較例1の導電体のサンプルに比べて、電流値Ipが大きく、メッキを実施した時間が短い。つまり、より大きな直流電流でメッキを実施すると、グラフェン層が形成された線材の表面により細かい粒状のCuの固まり53がより早く成長すると考えられる。
実施例1の製造方法において、図1(A)〜(C)までの工程(平坦化処理工程、第1グラフェン層成長工程、及び第1被覆層形成工程)を実行した後の比較例3、4、5の導電体のサンプルのSEM画像を図6(A)〜(F)に示す。比較例3、4、5の導電体のサンプルは第1被覆層形成工程において、パルス電流Pのデューティー比Dをそれぞれ100%、50%、及び40%にしてパルスメッキを行っている。また比較例3、4、5の導電体のサンプルは、電流値Ipが100mA(電流面密度6.3mA/mm2)であり、メッキを実施した時間が5秒である。また、比較例4、5の導電体のサンプルはパルス周期Tが1msである。比較例3、4、5の導電体のサンプルのグラフェン層が形成された線材の表面にはデンドライド結晶54がそれぞれに形成されている。
また、直流電流でメッキを実施した比較例1、2、3の導電体のサンプルの中で、比較例3の導電体のサンプルの電流値Ipが最も大きい。このことから、より大きな直流電流でメッキを実施すると、グラフェン層が形成された線材の表面にはデンドライド結晶54が発生し易くなると考えられる。
実施例1の製造方法において、図1(A)〜(C)までの工程(平坦化処理工程、第1グラフェン層成長工程、及び第1被覆層形成工程)を実行した後の実施例2、3の導電体のサンプルのSEM画像を図7(A)〜(D)に示す。実施例2、3の導電体のサンプルは第1被覆層形成工程において、パルス電流Pのデューティー比Dをそれぞれ30%、及び20%にしてパルスメッキを行っている。また実施例2、3の導電体のサンプルは、電流値Ipが100mAであり、パルス周期Tが1msで5秒間メッキを実施している。実施例2、3の導電体のサンプルは、グラフェン層を成長させた線材の表面にデンドライド結晶が形成されておらず、比較例3、4、5の導電体のサンプルに比べて表面の全体にわたり一様に凹凸が抑えられた被覆層12が形成されている。以上の結果より、電流値Ipをより大きくしても、デューティー比Dを30%〜20%にしてパルスメッキをすると、グラフェン層を成長させた線材の表面の全体にわたり一様に凹凸が抑えられた被覆層12を形成できることがわかった。
ここで、実施例2、3、及び比較例1〜5の導電体のサンプルから得られた知見から考えられる、パルスメッキを用いてグラフェン層の表面に被覆層を形成する仕組みについて図8〜10を参照しつつ説明する。
メッキを施す対象物として一般的な材料50(例えば、金属等)の表面には3次元方向(図8(A)における上方向)に結合手51(ダングリングボンド)が形成されている(図8(A)参照。)。材料50の表面に直流電流を用いた電解メッキを実施すると、先ず、メッキ溶液から材料50の表面に金属52が供給される。メッキ溶液から材料50の表面に供給された金属52は、材料50の表面に接近すると、接近した付近の結合手51と結合する(図8(B)参照。)。
これにより、材料50は表面の全体にわたり一様に被覆層112を形成することができる(図8(C)参照。)。
これに対して、グラフェン層111は、2次元方向に広がりをもつ層状材料であることから、3次元方向への結合手を有していない(図9(A)参照。)。
このため、グラフェン層111の表面に直流電流を用いた電解メッキを実施すると、メッキ溶液からグラフェン層111の表面に供給される金属52は、グラフェン層111の表面に接近してもグラフェン層111の表面に付着することができず、金属52同士が集まり、グラフェン層111の表面に粒状の金属の固まり53が複数形成される(図9(B)、(C)参照。)(図5(A)〜(D)参照。)。
この状態からグラフェン層111の表面の全体にわたり一様に被覆層212を形成させるには、各粒状の金属の固まり53をさらに成長させて互いに繋げる必要がある。しかし、各粒状の金属の固まり53をさらに成長させるにはメッキを実施する時間をより長くしなければならない。さらに、各粒状の金属の固まり53を成長させることになるため、材料50に形成した被覆層112に比べて、被覆層212の厚みが厚くなるおそれもある(図9(D)参照。)。
メッキを実施する時間を短くするには、より大きな電流値でメッキを実施することが考えられる。より大きな電流値でメッキを実施すると、メッキ溶液からグラフェン層111の表面に単位時間あたりに供給される金属52の量がより増える。これにより、グラフェン層111の表面において、単位面積当たりに形成される粒状の金属の固まり53の数がより増えて、各粒状の金属の固まり53の大きさをより小さくすることができ(図10(A)参照)、その結果、形成される被覆層312の厚みをより薄くできると発明者らは考えた(図10(B)参照。)。
しかし、より大きな電流値でメッキを実施すると、グラフェン層111の表面にデンドライド結晶が形成されることがわかった(図6(A)、(B)参照。)。これは、大きな電流値でメッキを継続して実施すると、メッキ溶液からグラフェン層111の表面に供給される金属52の量が過剰になり、メッキ溶液中に生じるメッキ溶液の濃度勾配が大きくなることが原因と考えられる。その結果、メッキ溶液中に濃度の揺らぎ(濃度の斑)が生じ、デンドライド結晶が成長することになる。
パルスメッキは、図4に示すように、パルス周期T毎に流れるパルス電流Pを用いてメッキを実施するものである。パルスメッキは隣り合うパルス電流Pの間にパルス電流Pが流れない時間Tiが設けられる。パルスメッキはパルス電流Pが流れない時間Tiの間で、大きくなったメッキ溶液の濃度勾配を抑えることができる。また、パルスメッキはデューティー比Dを変更することによって、パルス電流Pが流れる時間Tpに対するパルス電流Pが流れない時間Tiの長さを変更することができる。これにより、パルスメッキはメッキ溶液中に生じるメッキ溶液の濃度勾配を抑える度合いを変更することができる。
このため、発明者らは、パルスメッキを用いて、デューティー比Dを調整して、大きくなったメッキ溶液の濃度勾配を抑えることによって、デンドライド結晶の発生を抑えつつ、各粒状の金属の固まりが大きくなることを抑え、グラフェン層の表面に被覆層を良好に形成できると考えた。
そして、パルスメッキを用いて、デューティー比Dを様々に変更して実験を行った結果、デューティー比Dを30%〜20%にしてパルスメッキを実施すると、グラフェン層の表面の全体にわたり一様に凹凸が抑えられた被覆層を形成できることがわかった(図7(A)〜(D)参照。)。
このように、実施例2、3の導電体のサンプルはCuで形成された線材の表面をグラフェン層で覆っている。グラフェン層はグラフェン層を形成した表面が酸化することを遅らせることができる。このため、実施例2、3の導電体のサンプルはCuで形成された線材の表面の酸化を遅らせることができる。このため、実施例2、3の導電体のサンプルは酸化による電気的特性等の変化を抑えることができ、さらに、実施例2、3の導電体のサンプルの寿命をより長くすることができる。
したがって、実施例2、3の導電体は品質が良好である。
また、実施例2、3の導電体のサンプルはグラフェン層の表面を覆うCuで形成された被覆層12を備えている。このため、線材の表面からグラフェン層が剥離しても、剥離したグラフェン層は金属で形成された線材と被覆層12との間に保持される。このため、実施例2、3の導電体のサンプルは剥離したグラフェン層が導電体として作用しなくなることを抑えることができる。
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施例1〜3に限定されるものではなく、例えば次のような実施例も本発明の技術的範囲に含まれる。
(1)図11(A)、(B)に示すように、SiO2(2酸化ケイ素)やSi(ケイ素)などの絶縁体で形成された基板20の表面に、所定のパターンに形成された帯状の配線410の表面にグラフェン層411と被覆層412とを交互に積層して導電体2を形成してもよい。配線410は基板20に設けられた複数の電気素子21同士を電気的に接続する。
(2)実施例1では、線材の直径が0.16mmであり、線材の一方向に延びる長さが10cmであるが、この寸法に限定されない。また、実施例1では線材の断面形状が円形状であるが、これに限らず、他の断面形状であってもよい。
(3)実施例1では、線材としてCuを用いているが、Ni(ニッケル)、Fe(鉄)、Co(コバルト)、Au(金)、Ag(銀)、Al(アルミニウム)、W(タングステン)、Cr(クロム)等を用いてもよい。
(4)実施例1では、被覆層にCuを用いているが、Ni、Fe、Co、Au、Ag、Al、W、又は白金族等を用いてもよい。また、これら元素の合金(Cu−Ni、W−Co、Ni−Cr等)を被覆層に用いてもよい。また、各被覆層を互いに異なる種類の金属で形成してもよい。
(5)実施例1では、平坦化処理工程を実行しているが、実行しなくてもよい。
(6)実施例1では、反応炉内にN2、H2を供給しているが、Ar(アルゴン)を供給してもよい。また、これらガスを混合した混合ガスを反応炉内に供給してもよい。
(7)実施例1では平坦化処理工程において、線材の温度を1000℃にしているが、銅が蒸発しない温度であればよい。
(8)実施例1では平坦化処理工程において、線材の熱処理を2時間施しているが、2時間より長くてもよく、2時間より短くてもよい。
(9)実施例1では、反応炉内の気圧は大気圧であるが、大気圧より小さい気圧であってもよい。
(10)実施例1では第1グラフェン層成長工程において、線材の温度を1000℃にしているが、1000℃〜1080℃であることが好ましい。また、線材の温度が600℃〜1000℃でもグラフェン層を成長させることができる。
(11)実施例1では第1グラフェン層成長工程において、反応炉内にエタノールを2時間供給してグラフェン層を成長させているが、2時間より長くてもよく、2時間より短くてもよい。
(12)実施例1では第1グラフェン層成長工程において、線材の温度を急激に下げているが、線材の材質がNi、Co、Feである場合は線材の温度を徐々に下げることが好ましい。
(13)実施例1ではメッキ溶液に塩酸や硫酸銅を用いているが、他の原料で被覆層を形成する場合には、他の液体をメッキ溶液として用いてもよい。
(14)実施例1では被覆層の原料に平板状の銅箔を用いているが、他の形状であってもよい。
(15)実施例1では、線材の表面にグラフェン層と被覆層とを1ペアとして、この1ペアが2ペア積層した導電体が開示されているが、2ペアに限らず、3ペア以上であってもよい。また、最も表面にグラフェン層を成長させた導電体であってもよい。
(16)実施例1〜3では金属としてCuを用いているが、例えば金属としてNiを用いる場合、第2グラフェン成長工程を実行する際に、再び反応炉内で線材の温度を1000℃まで上昇させると、1ペア目のグラフェン層がNiに溶け込むおそれがある。(これは、Niには800℃程度でグラフェン層が溶け込むためである。)このため、2ペア目以降を形成する場合は、線材の温度を1ペア目の形成の際の線材の温度より低い温度(すなわち、800℃より低い温度)にする必要がある。なお、プラズマを用いたCVD法であれば線材の温度を500℃以下にして表面にグラフェン層を成長させることができる。
(17)実施例2、3では、デューティー比を30%〜20%でパルスメッキをすることによって、表面が平坦な被覆層を形成できるが、デューティー比Dがおよそ35%〜15%であってもよい。
10…線材(基体)
11,411…グラフェン層
12,412…被覆層
410…配線(基体)

Claims (9)

  1. 金属で形成された線材と、
    前記線材の表面を覆うグラフェン層と、
    を備えていることを特徴とする導電体。
  2. 前記グラフェン層の表面を覆う金属で形成された被覆層を備えていることを特徴とする請求項1に記載の導電体。
  3. 前記被覆層の表面にグラフェン層と金属で形成された被覆層の順に少なくとも一層が積層されていることを特徴とする請求項2に記載の導電体。
  4. 金属で形成された基体の表面にグラフェン層を成長させる第1グラフェン層成長工程と、
    前記第1グラフェン層成長工程の後に、表面にメッキにより被覆層を形成する第1被覆層形成工程と、
    を備えていることを特徴とする導電体の製造方法。
  5. 前記第1被覆層形成工程の後に、表面にグラフェン層を成長させる第2グラフェン層成長工程と、表面にメッキにより被覆層を形成する第2被覆層形成工程の順に少なくとも前記第2グラフェン層成長工程を実行すること特徴とする請求項4に記載の導電体の製造方法。
  6. 前記第1被覆層形成工程及び前記第2被覆層形成工程は電解メッキにより前記被覆層を形成することを特徴とする請求項5に記載の導電体の製造方法。
  7. 前記電解メッキはパルスメッキであることを特徴とする請求項6に記載の導電体の製造方法。
  8. 前記金属はCu(銅)であることを特徴とする請求項4乃至7のいずれか1項に記載の導電体の製造方法。
  9. 前記基体は線材であることを特徴とする請求項4乃至8のいずれか1項に記載の導電体の製造方法。
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