JP2019060014A - グラフェンの境界制御方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】グラフェンを成長させつつ、成長過程においてグラフェンの境界を制御可能な方法を提供する。【解決手段】絶縁基板を提供し、絶縁基板を成長チャンバに配置するステップと、成長チャンバ内に第１反応ガスを導入するステップであって、第１反応ガスが少なくとも炭素源ガスを含み、第１反応ガスの流量を制御することで、絶縁基板の表面に第１境界形状を有するグラフェン構造を形成するステップと、を含むグラフェンの境界制御方法。基板表面にグラフェンを成長させる過程において、炭素源ガスと触媒ガスの割合を調整することでグラフェンの境界制御を実現する。【選択図】図１

Description

本発明は低次元材料及び新素材の分野に属し、特に、グラフェンにおける成長境界の制御方法に関する。
グラフェンとは、炭素原子がｓｐ２混成によって六角形の蜂の巣構造を形成した二次元の平面材料である。グラフェンは、多くの優れた物理特性や化学特性から広く注目を集めている。六方晶窒化ホウ素（ｈ−ＢＮ）は格子構造がグラフェンと類似しているが、バンドギャップが広く、「ホワイトグラフェン」と呼ばれている。近年、六方晶窒化ホウ素は、グラフェンとともに二次元材料の代表格として学術界の関心を呼んでいる。
現在のところ、グラフェンの生成においては、機械的剥離法と化学気相蒸着法（ＣＶＤ）を用い、ＣｕやＰｔといった金属の表面にグラフェンを直接成長させる方法が常用されている。グラフェンの成長が完了すると、各種応用ニーズを満たすために、生成されたグラフェンを相応の絶縁基板に移動させる必要があるが、グラフェンの移動過程自体が複雑且つ高コストであるため、大規模量産にとっては非常に不利である。また、移動過程での欠損や異物の混入も不可避であり、グラフェンの品質を大きく損なうことになる。
グラフェンの品質を向上させ、且つ生産コストを低下させるには、絶縁基板上にグラフェンを直接成長させることで移動過程を回避することが解決策の一つとして考えられる。ここで、グラフェンを六方晶窒化ホウ素の表面に成長させる場合には、六方晶窒化ホウ素の表面が平坦なことから、グラフェンの電子移動度を効果的に向上させられるだけでなく、多くの新奇な物理現象を発現させられる。一方、グラフェンの成長と電気特性は境界の影響を大きく受けるため、最近ではグラフェンの境界制御もまた研究の焦点となっている。
そこで、グラフェンを成長させつつ、成長過程においてグラフェンの境界を制御可能な方法を提供することが求められている。
上述した従来技術の瑕疵に鑑みて、本発明は、従来技術における絶縁基板表面のグラフェン境界の制御にかかる課題を解決するためのグラフェンの境界制御方法を提供することを目的とする。
上記の目的及びその他関連の目的を実現するために、本発明は、１）絶縁基板を提供し、前記絶縁基板を成長チャンバに配置するステップと、２）前記成長チャンバ内に第１反応ガスを導入するステップであって、前記第１反応ガスが少なくとも炭素源ガスを含み、前記第１反応ガスの流量を制御することで、前記絶縁基板の表面に第１境界形状を有するグラフェン構造を形成するステップ、を含むグラフェンの境界制御方法を提供する。
本発明の好ましい方案として、ステップ１）において、前記絶縁基板はｈ−ＢＮ基板であり、前記ｈ−ＢＮ基板には、ｈ−ＢＮブロックからなる単結晶基板、機械的剥離法によりへき開して得られるｈ−ＢＮ薄膜基板、及び化学気相蒸着法により得られるｈ−ＢＮ薄膜基板のうちの一つが含まれる。
本発明の好ましい方案として、ステップ１）は、前記絶縁基板を焼鈍して表面の異物を除去するステップを更に含む。
本発明の好ましい方案として、前記炭素源ガスをアセチレンとし、アセチレンの流量を１〜８ｓｃｃｍとなるよう制御することで、前記第１境界形状がアームチェア型のグラフェン構造を取得する。
本発明の好ましい方案として、ステップ２）において、前記第１反応ガスは更に触媒ガスを含み、前記触媒ガスと前記炭素源ガスの流量比を制御することで、前記絶縁基板の表面に第１境界形状を有するグラフェン構造を形成する。
本発明の好ましい方案として、ステップ２）において、前記炭素源ガスは、メタン、エチレン、アセチレンのうちの１又は２種類及びこれらの組み合わせを含み、前記触媒ガスはシランを含む。
本発明の好ましい方案として、前記触媒ガスと前記炭素源ガスの流量比が１：１に等しくなるよう制御することで、前記第１境界形状が鋸歯型のグラフェン構造を取得し、前記触媒ガスと前記炭素源ガスの流量比が８：１超或いは１：８以下となるよう制御することで、前記第１境界形状がアームチェア型のグラフェン構造を取得し、前記触媒ガスと前記炭素源ガスの流量比が１：８〜１：１の間、又は１：１〜８：１の間となるよう制御することで、前記第１境界形状が混合型境界のグラフェン構造を取得する。
本発明の好ましい方案として、ステップ２）では、化学気相蒸着法により前記グラフェン構造を生成し、成長温度を１１００〜１４００℃、前記成長チャンバ内の気圧を１〜２０Ｐａ、成長時間を１０〜１８００ｓとする。
本発明の好ましい方案として、更に、前記成長チャンバ内に第２反応ガスを継続的に導入することで第２境界形状を有する前記グラフェン構造を取得するステップ３）を含む。
本発明の好ましい方案として、前記第１境界形状がアームチェア型の場合、前記第２反応ガスが鋸歯型境界の成長に適した反応ガスとなるよう制御することで、前記第２境界形状が鋸歯型のグラフェン構造を取得し、前記第１境界形状が鋸歯型の場合、前記第２反応ガスがアームチェア型境界の成長に適した反応ガスとなるよう制御することで、前記第２境界形状がアームチェア型のグラフェン構造を取得する。
本発明の好ましい方案として、鋸歯型境界の成長に適した前記第２反応ガスは触媒ガスと炭素源ガスを含み、且つこれらの流量比は１：１に等しく、アームチェア型境界の成長に適した前記第２反応ガスは触媒ガスと炭素源ガスを含み、且つこれらの流量比は８：１超或いは１：８以下である。
本発明の好ましい方案として、ステップ２）では、予め前記絶縁基板上に階段を形成してから、前記階段の表面に第１境界形状を有する前記グラフェン構造を形成する。
本発明の好ましい方案として、前記階段の形成方法は、機械的剥離法、化学的エッチング、電子ビームエッチング及び紫外線露光のうちの一つを含む。
本発明の好ましい方案として、前記階段の形状は前記第１境界形状と一致している。
本発明の好ましい方案として、前記階段の表面に形成される前記グラフェン構造はグラフェンナノリボンとなり、前記第１境界形状が鋸歯型である場合には、前記第１反応ガスが触媒ガスと炭素源ガスを含み、且つ、これらの流量比が１：１に等しいことが形成条件となる。
本発明の好ましい方案として、前記階段の表面に形成される前記グラフェン構造はグラフェンナノリボンとなり、前記第１境界形状がアームチェア型である場合には、前記第１反応ガスが触媒ガスと炭素源ガスを含み、且つ、これらの流量比が８：１超或いは１：８以下であること、又は、前記第１反応ガスが炭素源ガスであり、且つ、ガス流量が１〜８ｓｃｃｍであることが形成条件となる。
本発明の好ましい方案として、取得される前記グラフェンナノリボンは、幅が１００ｎｍ未満、長さが２０ｎｍ超、厚さが原子層１〜１０枚分となる。
本発明の好ましい方案として、前記グラフェン構造の成長時間と前記第１反応ガスの流量を制御することで、前記グラフェン構造の幅を制御する。
以上述べたように、本発明におけるグラフェンの境界制御方法は、以下の有益な効果を有する。
１）本発明は、基板表面にグラフェンを成長させる過程において、炭素源ガスと触媒ガスの割合を調整することでグラフェンの境界制御を実現するグラフェンの境界制御方法を提供する。
２）本発明で提供する方法によれば、更に、形成されたグラフェンをベースに、成長条件を変更してこれを引き続き成長させることで、グラフェンにおける元の境界形状を変化させることが可能である。
３）本発明で提供する方法では、階段を有する基板表面にグラフェンを成長させられることから、配向性を有する階段に応じて成長条件を最適化することで、特定の配向性を持ち、且つ境界が整ったグラフェンリボンを取得可能となる。更に、成長時間と成長速度を制御することで、幅狭のグラフェンナノリボンを取得可能となる。
４）本発明によれば、絶縁基板表面におけるグラフェンの境界制御が実現されるほか、操作手順が簡略化されるため、より効率よくグラフェンの境界制御を実現可能となる。よって、電子部品分野におけるグラフェンの幅広い応用の基礎が構築される。
図１は、本発明で提供するグラフェンの境界制御方法にかかるフローチャートを示す。 図２は、本発明の制御で得られるグラフェンの２種類の境界形状を示す図である。 図３は、本発明のアームチェア型境界、鋸歯型境界、及び混合境界の単結晶を示す図である。 図４は、本発明のアームチェア型境界、鋸歯型境界、及び混合境界を示す図である。 図５は、本発明のアームチェア型単結晶が鋸歯型境界の単結晶となるまで外側に延伸するよう成長を続けた場合を示す図である。 図６は、本発明のアームチェア型及び鋸歯型の階段箇所において外側に延伸したグラフェンナノリボンを示す図である。
以下に、特定の具体的実例を挙げて本発明の実施形態につき説明する。なお、当業者であれば、本明細書に開示の内容から、本発明のその他の利点及び効果を容易に理解可能である。また、本発明はその他の異なる具体的実施形態による実施又は応用も可能である。本明細書の各詳細事項に関しても、異なる観点及び応用に基づき、本発明の精神を逸脱しないことを前提に各種の追加又は変更が可能である。
図１〜図４を参照する。なお、本実施例で提示する図面は本発明の基本思想を概略的に説明するためのものにすぎない。図面には本発明に関連する部材のみを示しており、実際に実施する際の部材の数、形状及び寸法に基づき記載しているわけではない。実際の実施時には、各部材の形態、数量及び比率は任意に変更してもよく、部材の配置形態がより複雑となる場合もある。
図１〜４に示すように、本発明はグラフェンの境界制御方法を提供する。当該方法は、以下のステップを含む。
１）絶縁基板を提供し、前記絶縁基板を成長チャンバに配置する。
２）前記成長チャンバ内に第１反応ガスを導入する。前記第１反応ガスは少なくとも炭素源ガスを含み、前記第１反応ガスの流量を制御することで、前記絶縁基板の表面に第１境界形状を有するグラフェン構造を形成する。
以下に、図面を組み合わせて本発明におけるグラフェンの境界制御方法につき詳細に説明する。
まず、絶縁基板を提供し、前記絶縁基板を成長チャンバに配置するステップ１）を実施する。
一例として、ステップ１）において、前記絶縁基板はｈ−ＢＮ基板である。前記ｈ−ＢＮ基板には、ｈ−ＢＮブロックからなる単結晶基板、機械的剥離法によりへき開して得られるｈ−ＢＮ薄膜基板、及び化学気相蒸着法により得られるｈ−ＢＮ薄膜基板のうちの一つが含まれる。
具体的に、前記絶縁基板は当業者が熟知するｈ−ＢＮ基板以外の任意の基板としてもよいが、本実施例では六方晶窒化ホウ素（ｈ−ＢＮ）基板を選択する。当該基板の作製方法としては、単結晶の六方晶窒化ホウ素を原料とし、上面に二酸化ケイ素層を有するシリコン基板（二酸化ケイ素／シリコン基板）上において、機械的剥離により新鮮なへき開面を有する六方晶窒化ホウ素シート層を取得することで、六方晶窒化ホウ素／二酸化ケイ素／シリコン基板を形成する。六方晶窒化ホウ素薄膜はグラフェンと類似の結晶構造を有しており、絶縁性、熱伝導性及び化学的安定性に優れる。よって、六方晶窒化ホウ素上でグラフェンを成長させることは、グラフェンの品質向上にとって有利に働く。更に、前記六方晶窒化ホウ素は、機械的剥離法により取得される原子レベルで平坦なへき開面を有する六方晶窒化ホウ素薄膜である。
また、本実施例では、前記成長チャンバが管状炉の場合を例として説明する。六方晶窒化ホウ素／二酸化ケイ素／シリコン基板は前記管状炉に投入し、続いて水素・アルゴン混合ガスを導入する。本実施例において、前記水素・アルゴン混合ガスの流速は３００ｓｃｃｍとすることが好ましく、水素ガスとアルゴンガスの体積比は１：２とすることが好ましい。
一例として、ステップ１）は、前記絶縁基板を焼鈍して表面の異物を除去するステップを更に含む。
具体的には、前記絶縁基板を高温焼鈍処理し、基板表面の異物や有機物等を除去することで、高品質の基板を取得する。六方晶窒化ホウ素基板を例にすると、焼鈍過程は酸素雰囲気下で実行される。また、焼鈍温度は７００〜８００℃（本実施例では７５０℃）に設定するとともに、焼鈍時間は０．５〜３時間（本実施例では２時間）、成長チャンバ内の圧力は５００〜１０００Ｐａ（本実施例では６００Ｐａ）に制御する。
次に、前記成長チャンバ内に第１反応ガスを導入するステップであって、前記第１反応ガスが少なくとも炭素源ガスを含み、前記第１反応ガスの流量を制御することで、前記絶縁基板の表面に第１境界形状を有するグラフェン構造を形成するステップ２）を実施する。
具体的に、前記グラフェン構造の成長前後には、更に保護ガスによる保護が条件として含まれる。前記保護ガスはアルゴンガスとし、流量を１００〜５００ｓｃｃｍ、好ましくは２００ｓｃｃｍとする。
一例として、ステップ２）において、前記第１反応ガスは更に触媒ガスを含み、前記触媒ガスと前記炭素源ガスの流量比を制御することで、前記絶縁基板の表面に第１境界形状を有するグラフェン構造を形成する。
具体的に、当該ステップは、第１反応ガスを制御することでグラフェンの境界制御を実現することを目的とする。なお、前記第１反応ガスは少なくとも炭素源を含むが、いうまでもなく、更に触媒ガス等を含んでもよい。制御により取得可能な前記第１境界形状であるグラフェンの境界形状としては、アームチェア型境界、鋸歯型境界及び双方の混合境界等が含まれるが、これらに限らない。
一例として、ステップ２）において、前記炭素源ガスは、メタン、エチレン、アセチレンのうちの１又は２種類及びこれらの組み合わせを含み、前記触媒ガスはシランを含む。
具体的に、前記炭素源ガスはグラフェン形成のために炭素源を供給するものであり、本実施例ではアセチレンとすることが好ましい。また、前記触媒ガスはシランを含む。
一例として、ステップ２）では、化学気相蒸着法により前記グラフェン構造を生成する。成長温度は１１００〜１４００℃、前記成長チャンバ内の気圧は１〜２０Ｐａ、成長時間は１０〜１８００ｓとする。
具体的に、グラフェンの成長過程では、成長温度を１２００〜１３００℃とすることが好ましく、本実施例では１２５０℃とする。また、気圧は５〜１５Ｐａとすることが好ましく、本実施例では１０Ｐａとする。成長時間は１００〜１０００ｓとすることが好ましく、本実施例では２００ｓとする。前記絶縁基板の表面に形成されるグラフェンは、幅が１００ｎｍ〜１μｍ、長さが５０ｎｍ超、厚さが原子層１〜１０枚分の厚みとなる。
一例として、更に、前記成長チャンバ内に第２反応ガスを継続的に導入することで第２境界形状を有する前記グラフェン構造を取得するステップ３）を含む。
具体的に、当該ステップは、前記第２反応ガスの流量を制御することで、第２境界形状を有する前記グラフェン構造を取得可能とするものである。即ち、反応ガスの流量を制御することで、グラフェンにおける元の境界形状を変化可能とする。例えば、グラフェンのアームチェア型境界を引き続き成長させることで鋸歯型境界に変化させてもよいし、鋸歯型のグラフェン境界を引き続き成長させることでアームチェア型境界に変化させてもよい。なお、いうまでもなく、その他の型の境界形状へ変化させてもよく、ここでは具体的に制限しない。当該方法によれば、簡潔且つスピーディーにグラフェンの境界制御が実現されるため、電子部品分野におけるグラフェンの幅広い応用の基礎が構築される。
一例として、ステップ２）では、予め前記絶縁基板上に階段を形成してから、前記階段の表面に第１境界形状を有する前記グラフェン構造を形成する。
一例として、前記階段の表面に形成される前記グラフェン構造はグラフェンナノリボンとなる。また、前記第１境界形状は、鋸歯型及びアームチェア型のうち一方の形状を含む。
具体的に、当該ステップは階段上にグラフェン構造を形成するものであり、このときの前記グラフェン構造は絶縁基板上の階段の表面に形成されるグラフェンナノリボンとなる。
一例として、前記階段の形成方法は、機械的剥離法、化学的エッチング、電子ビームエッチング及び紫外線露光のうちの一つを含む。例えば、六方晶窒化ホウ素の表面において、長さ１〜１０層、長さ５０ｎｍ超の窒化ホウ素階段を取得可能である。
具体的に、前記階段の形状は実際の必要性に応じて設定すればよく、例えば、金属触媒エッチング法により取得可能である。形成過程では、ＣＶＤ管状炉内においてｈ−ＢＮに対し焼鈍及びエッチングが行われる。キャリアガスはＡｒとし、作動ガスはエッチングの方向性に応じてＨ２又はＯ２を選択する。ここで、Ｈ２とＡｒの流量比が１：１〜１：１０の場合には、Ａｒｍｃｈａｉｒ（アームチェア）境界構造のナノリボン状溝を取得しやすい。また、Ｏ２とＡｒの流量比が１：１〜０：１０の場合には、Ｚｉｇｚａｇ（鋸歯）境界構造のナノリボン状溝を取得しやすい。好ましくは、前記六方晶窒化ホウ素の階段としては、機械的剥離法によりアームチェア型境界の階段を取得し、機械的剥離法と化学的エッチング法により鋸歯型境界の階段を取得する。前記階段の長さは２００ｎｍ超、深さは原子層１〜９枚分とする。
一例として、前記グラフェン構造の成長時間と前記第１反応ガスの流量を制御することで、前記グラフェン構造の幅を制御するとともに、前記第１境界形状が前記階段の形状と一致するよう前記階段の形状を制御する。
具体的には、成長時間を正確に制御するとともに成長ガスの流量を減少させることで、グラフェンリボンの幅制限を実現し、幅１００ｎｍ未満のグラフェンナノリボンを取得可能とする。また、前記階段の形状と前記グラフェンの境界形状が一致するよう制御することで、完全且つ整然とした特定形状の境界を有するグラフェン層をより効果的に取得可能とする。
本実施例では、前記第１反応ガスの流量を制御することで、グラフェン単結晶及びグラフェンナノリボンを含むアームチェア型境界のグラフェン構造を取得可能である。
一例として、ステップ２）において、前記第１反応ガスは炭素源ガスのみを含む。
具体的に、本実施例において、唯一の前記炭素源ガスはアセチレンガスとすることが好ましい。また、アームチェア型境界のグラフェンを形成する具体的操作としては、流量を８ｓｃｃｍとして炭素源ガスを導入する。ここで、気圧は１〜２０Ｐａの範囲（本実施例では１０Ｐａ）となるよう調整するとともに、温度は１１００〜１４００℃の間（本実施例では１２００℃）となるよう調整し、成長時間は１０〜１８ｍｉｎ（本実施例では１５ｍｉｎ）とする。これにより、寸法が１μｍ（グラフェンの六角形単結晶の対角線長）であるアームチェア型境界のグラフェン単結晶が得られる。
一例として、前記第１反応ガスは更に触媒ガスを含み、前記炭素源ガスと前記触媒ガスの流量比を制御することでアームチェア型境界のグラフェンを取得する。
具体的には、前記触媒ガスと前記炭素源ガスの流量比が８：１超或いは１：８以下となるよう制御することで、前記第１境界形状がアームチェア型のグラフェン構造を取得する。本実施例では、炭素源ガスとしてアセチレンを選択し、触媒としてシランを選択する。即ち、アセチレンの流量を８に固定し、シランを０〜７の間で変化させる際にアームチェア型境界と混合型境界が得られる。前記混合型境界とは、少なくともアームチェア型と鋸歯型境界を含むグラフェン構造のことをいう。また、前記触媒ガスはシランを含むがこれに限らない。本実施例において、シランとアセチレンの割合を１：８又は１：９等に制御した場合、いずれにおいてもアームチェア型境界が得られる。
また、前記触媒ガスと前記炭素源ガスの流量比が１：８〜１：１の間、又は１：１〜８：１の間となるよう制御することで、前記第１境界形状が混合型境界のグラフェン構造が得られる。なお、前記混合型境界とは、少なくともアームチェア型と鋸歯型境界を含むグラフェン構造のことをいう。
本実施例では、前記第１反応ガスの流量を制御することで、グラフェン単結晶及びグラフェンナノリボンを含む鋸歯型境界のグラフェン構造を取得可能である。
一例として、前記第１反応ガスは炭素源ガスと触媒ガスを含み、前記炭素源ガスと前記触媒ガスの流量比を制御することで鋸歯型境界のグラフェンを取得する。
具体的には、前記触媒ガスと前記炭素源ガスの流量比が１：１と等しくなるよう、即ち、流量が１：１ｓｃｃｍや８：８ｓｃｃｍ等となるよう制御することで、前記第１境界形状が鋸歯型のグラフェン構造を取得する。本実施例では、炭素源ガスとしてアセチレンを選択し、触媒としてシランを選択する。即ち、アセチレンとシランの割合が８：８の場合に鋸歯型境界が得られる。或いは、シランとアセチレンの流量範囲を１〜７の間で同時に変化させる場合に鋸歯型境界が得られる。なお、前記触媒ガスはシランを含むがこれに限らない。本実施例において、シランとアセチレンの割合を３：３又は２：２又は１：１等に制御した場合、いずれにおいても鋸歯型境界が得られる。
また、前記触媒ガスと前記炭素源ガスの流量比を１：８〜１：１の間、又は１：１〜８：１の間で制御することで、前記第１境界形状が混合型境界のグラフェン構造が得られる。なお、前記混合型境界とは、少なくともアームチェア型と鋸歯型境界を含むグラフェン構造のことをいう。
本実施例では、前記第２反応ガスの流量を制御することで、第２境界形状を有する前記グラフェン構造を取得可能である。即ち、本実施例では反応ガスの流量を制御することで、グラフェンにおける元の境界形状を変化させられる。例えば、実施例１のグラフェンの境界形状を実施例２のグラフェンの境界形状に変化させてもよいし、実施例２のグラフェンの境界形状を実施例１のグラフェンの境界形状に変化させてもよい。
具体的には、前記第１境界形状がアームチェア型の場合、前記第２反応ガスが鋸歯型境界の成長に適した反応ガスとなるよう制御することで、前記第２境界形状が鋸歯型のグラフェン構造を取得する。また、前記第１境界形状が鋸歯型の場合、前記第２反応ガスがアームチェア型境界の成長に適した反応ガスとなるよう制御することで、前記第２境界形状がアームチェア型のグラフェン構造を取得する。
一例として、鋸歯型境界の成長に適した前記第２反応ガスは、触媒ガスと炭素源ガスの流量比が１：１に等しい。即ち、流量が１：１ｓｃｃｍや８：８ｓｃｃｍ等である。一方、アームチェア型境界の成長に適した前記第２反応ガスは、触媒ガスと炭素源ガスの流量比が８：１超且つ１：８以下である。
具体的に、本実施例において、前期の単結晶成長ではアセチレンのみが存在し、且つ流量８ｓｃｃｍで１５ｍｉｎ成長させることで寸法が１μｍであるアームチェア型境界のグラフェン単結晶が得られる。そして、後期に成長条件をアセチレン：シランが８：８ｓｃｃｍとなるよう変更し、引き続き１０ｍｉｎ成長させることで、鋸歯型境界のグラフェン単結晶が得られる。
また、成長が完了すると炭素源を遮断し、Ａｒを保護ガスとして１００〜５００ｓｃｃｍ導入して降温・冷却する。
本実施例４では、実施例１、実施例２及び実施例３との違いとして、ステップ２）において、予め前記絶縁基板上に階段を形成してから、前記階段の表面に第１境界形状を有する前記グラフェン構造を形成する。
具体的に、グラフェンは六方晶窒化ホウ素の階段部分においてより容易に核生成し、グラフェンリボンを形成するよう成長する。よって、配向性を有する階段に応じて成長条件を最適化することで、特定の配向性を持ち、且つ境界が整ったグラフェンリボンを取得可能となる。更に、成長時間と成長速度を制御することで、幅狭のグラフェンナノリボンを取得可能となる。
一例として、前記階段の形成方法は、機械的剥離法、化学的エッチング、電子ビームエッチング及び紫外線露光のうちの一つを含む。前記階段の表面に形成される前記グラフェン構造はグラフェンナノリボンとなる。また、前記第１境界形状は、鋸歯型形状及びアームチェア型形状のうちの一方を含む。
一例として、鋸歯型境界の前記グラフェンナノリボンは、前記第１反応ガスが触媒ガスと炭素源ガスを含み、且つ、これらの流量比が１：１に等しいこと、即ち流量が１：１ｓｃｃｍや８：８ｓｃｃｍ等であることが形成条件となる。
具体的に、本実施例では、窒化ホウ素基板の階段箇所でグラフェンリボンを外側に延伸するよう成長させるにあたり、鋸歯型境界のグラフェンリボンを外側に延伸させる際には、ガスの割合が８：８ｓｃｃｍの場合、成長速度は１４０ｎｍ／ｍｉｎとなる。また、ガスの割合が２：２ｓｃｃｍの場合、成長速度は６０ｎｍ／ｍｉｎとなる。また、ガスの割合が１：１ｓｃｃｍの場合、成長速度は４０ｎｍ／ｍｉｎとなる。
一例として、アームチェア型の前記グラフェンナノリボンは、前記第１反応ガスが触媒ガスと炭素源ガスを含み、且つ、これらの流量比が８：１超或いは１：８以下であること、又は、前記第１反応ガスが炭素源ガスであり、且つ、ガス流量が１〜８ｓｃｃｍであることが形成条件となる。
具体的に、本実施例では、窒化ホウ素基板の階段箇所でグラフェンリボンを外側に延伸するよう成長させるにあたり、アームチェア型境界のグラフェンリボンを外側に延伸させる際には、ガス流量が８ｓｃｃｍの場合、成長速度は４５ｎｍ／ｍｉｎとなる。また、ガス流量が２ｓｃｃｍの場合、成長速度は２０ｎｍ／ｍｉｎとなる。また、ガス流量が１ｓｃｃｍの場合、成長速度は１０ｎｍ／ｍｉｎとなる。
一例として、前記グラフェン構造の成長時間と前記第１反応ガスの流量を制御することで、前記グラフェン構造の幅を制御するとともに、前記第１境界形状が前記階段の形状と一致するよう前記階段の形状を制御する。
一例として、取得される前記グラフェン構造は、幅が１００ｎｍ未満、長さが２０ｎｍ超、厚さが原子層１〜１０枚分となる。
具体的には、成長時間を正確に制御するとともに成長ガスの流量を減少させることで、グラフェンリボンの幅制限を実現し、幅１００ｎｍ未満のグラフェンナノリボンを取得可能とする。好ましくは、取得されるグラフェンナノリボンは幅が２０〜８０ｎｍ（本実施例では４０ｎｍ）、長さが３０〜８０ｎｍ（本実施例では６０ｎｍ）、厚さが原子層３〜９枚分（本実施例では原子層６枚分）である。
上述したように、本発明はグラフェンの境界制御方法を提供する。当該方法は、絶縁基板を提供し、前記絶縁基板を成長チャンバに配置するステップと、前記成長チャンバ内に第１反応ガスを導入するステップであって、前記第１反応ガスが少なくとも炭素源ガスを含み、前記第１反応ガスの流量を制御することで、前記絶縁基板の表面に第１境界形状を有するグラフェン構造を形成するステップと、を含む。上記の技術方案によって、本発明は、基板表面にグラフェンを成長させる過程において、炭素源ガスと触媒ガスの割合を調整することでグラフェンの境界制御を実現するグラフェンの境界制御方法を提供する。本発明で提供する方法によれば、更に、形成されたグラフェンをベースに、成長条件を変更してこれを引き続き成長させることで、グラフェンにおける元の境界形状を変化させることが可能である。また、本発明で提供する方法では、階段を有する基板表面にグラフェンを成長させられることから、配向性を有する階段に応じて成長条件を最適化することで、特定の配向性を持ち、且つ境界が整ったグラフェンリボンを取得可能となる。更に、成長時間と成長速度を制御することで、幅狭のグラフェンナノリボンを取得可能となる。本発明によれば、絶縁基板表面におけるグラフェンの境界制御が実現されるほか、操作手順が簡略化されるため、より効率よくグラフェンの境界制御を実現可能となる。よって、電子部品分野におけるグラフェンの幅広い応用の基礎が構築される。以上より、本発明は従来技術における様々な瑕疵を解消可能であり、高度な産業上の利用価値を有する。
なお、上記の実施例は本発明の原理及び効果を説明するための例示にすぎず、本発明を制限するものではない。当該技術を熟知する者であれば、本発明の精神及び範囲から逸脱しないことを前提に、上記実施例につき追加又は変更が可能である。したがって、当業者が、本発明で開示する精神及び技術的思想を逸脱せずに実施するあらゆる等価の追加又は変更もまた、本発明における特許請求の範囲に含まれる。
１１ 鋸歯型境界
１２ アームチェア型境界
Ｓ１〜Ｓ２ ステップ

Claims (16)

  1. 絶縁基板を提供し、前記絶縁基板を成長チャンバに配置する第１のステップと、
    少なくとも炭素源ガスを含む第１反応ガスを前記成長チャンバ内に導入し、かつ、前記第１反応ガスの流量を制御することで、前記絶縁基板の表面に第１境界形状を有するグラフェン構造を形成する第２のステップ、を含むことを特徴とするグラフェンの境界制御方法。
  2. 前記第１のステップにおいて、前記絶縁基板はｈ−ＢＮ基板であり、前記ｈ−ＢＮ基板には、ｈ−ＢＮブロックからなる単結晶基板、機械的剥離法によりへき開して得られるｈ−ＢＮ薄膜基板、及び化学気相蒸着法により得られるｈ−ＢＮ薄膜基板のうちの一つが含まれることを特徴とする請求項１に記載のグラフェンの境界制御方法。
  3. 前記第２のステップにおいて、前記炭素源ガスをアセチレンとし、アセチレンの流量を１ないし８ｓｃｃｍとなるよう制御することで、前記第１境界形状がアームチェア型のグラフェン構造を取得することを特徴とする請求項１に記載のグラフェンの境界制御方法。
  4. 前記第２のステップにおいて、前記第１反応ガスは更に触媒ガスを含み、前記触媒ガスと前記炭素源ガスの流量比を制御することで、前記絶縁基板の表面に第１境界形状を有するグラフェン構造を形成することを特徴とする請求項１に記載のグラフェンの境界制御方法。
  5. 前記第２のステップにおいて、前記炭素源ガスは、メタン、エチレン、アセチレンのうちの１又は２種類及びこれらの組み合わせを含み、前記触媒ガスはシランを含むことを特徴とする請求項４に記載のグラフェンの境界制御方法。
  6. 前記触媒ガスと前記炭素源ガスの流量比が１：１に等しくなるよう制御することで、前記第１境界形状が鋸歯型のグラフェン構造を取得し、
    前記触媒ガスと前記炭素源ガスの流量比が８：１を超えるか若しくは１：８以下となるよう制御することで、前記第１境界形状がアームチェア型のグラフェン構造を取得し、
    前記触媒ガスと前記炭素源ガスの流量比が１：８ないし１：１の間、又は１：１ないし８：１の間となるよう制御することで、前記第１境界形状が混合型境界のグラフェン構造を取得することを特徴とする請求項４に記載のグラフェンの境界制御方法。
  7. 前記第２のステップにおいて、化学気相蒸着法により前記グラフェン構造を生成し、成長温度を１１００ないし１４００℃、前記成長チャンバ内の気圧を１ないし２０Ｐａ、成長時間を１０ないし１８００ｓとすることを特徴とする請求項１に記載のグラフェンの境界制御方法。
  8. 更に、前記成長チャンバ内に第２反応ガスを継続的に導入することで第２境界形状を有する前記グラフェン構造を取得する第３のステップを含むことを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載のグラフェンの境界制御方法。
  9. 前記第１境界形状がアームチェア型の場合、前記第２反応ガスが鋸歯型境界の成長に適した反応ガスとなるよう制御することで、前記第２境界形状が鋸歯型のグラフェン構造を取得し、
    前記第１境界形状が鋸歯型の場合、前記第２反応ガスがアームチェア型境界の成長に適した反応ガスとなるよう制御することで、前記第２境界形状がアームチェア型のグラフェン構造を取得することを特徴とする請求項８に記載のグラフェンの境界制御方法。
  10. 鋸歯型境界の成長に適した前記第２反応ガスは触媒ガスと炭素源ガスを含み、かつ、これらの流量比は１：１に等しく、
    アームチェア型境界の成長に適した前記第２反応ガスは触媒ガスと炭素源ガスを含み、かつ、これらの流量比は８：１を超えるか若しくは１：８以下であることを特徴とする請求項９に記載のグラフェンの境界制御方法。
  11. 前記第２のステップにおいて、予め前記絶縁基板上に階段を形成してから、前記階段の表面に第１境界形状を有する前記グラフェン構造を形成することを特徴とする請求項１に記載のグラフェンの境界制御方法。
  12. 前記階段の形成方法は、機械的剥離法、化学的エッチング、電子ビームエッチング及び紫外線露光のうちの一つを含むことを特徴とする請求項１１に記載のグラフェンの境界制御方法。
  13. 前記階段の形状は前記第１境界形状と一致していることを特徴とする請求項１１に記載のグラフェンの境界制御方法。
  14. 前記階段の表面に形成される前記グラフェン構造はグラフェンナノリボンとなり、前記第１境界形状が鋸歯型である場合には、前記第１反応ガスが触媒ガスと炭素源ガスを含み、かつ、これらの流量比が１：１に等しいことが形成条件となることを特徴とする請求項１１に記載のグラフェンの境界制御方法。
  15. 前記階段の表面に形成される前記グラフェン構造はグラフェンナノリボンとなり、前記第１境界形状がアームチェア型である場合には、前記第１反応ガスが触媒ガスと炭素源ガスを含み、且つ、これらの流量比が８：１を超えるか若しくは１：８以下であること、又は、前記第１反応ガスが炭素源ガスであり、かつ、ガス流量が１ないし８ｓｃｃｍであることが形成条件となることを特徴とする請求項１１に記載のグラフェンの境界制御方法。
  16. 前記グラフェン構造の成長時間と前記第１反応ガスの流量を制御することで、前記グラフェン構造の幅を制御することを特徴とする請求項１１ないし請求項１５のいずれか１項に記載のグラフェンの境界制御方法。
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