JP2022100723A - Graphene nanoribbon precursor, graphene nanoribbon, electronic device, method for manufacturing graphene nanoribbon, and method for manufacturing electronic device - Google Patents

Graphene nanoribbon precursor, graphene nanoribbon, electronic device, method for manufacturing graphene nanoribbon, and method for manufacturing electronic device Download PDF

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Abstract

To provide a graphene nanoribbon precursor, a graphene nanoribbon, an electronic device, a method for manufacturing the graphene nanoribbon, and a method for manufacturing the electronic device, capable of modulating the band gap of GNR in various ways.SOLUTION: A graphene nanoribbon precursor has a predetermined structural formula. In this structural formula, n1 is 1, 2 or 4, n2 is n1-1, X and Y are F, Cl, Br, or I. When the desorption temperatures of X and Y from carbon atoms constituting a six-membered ring are TX and TY, respectively, the relationship TX<TY holds.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本開示は、グラフェンナノリボン前駆体、グラフェンナノリボン、電子装置、グラフェンナノリボンの製造方法及び電子装置の製造方法に関する。 The present disclosure relates to a graphene nanoribbon precursor, a graphene nanoribbon, an electronic device, a method for manufacturing a graphene nanoribbon, and a method for manufacturing an electronic device.

グラフェンは炭素原子が蜂の巣状に並んだ二次元のシート構造の材料である。グラフェンの電荷の移動度は室温においても極めて高く、グラフェンはバリスティック伝導及び半整数量子ホール効果等の特異な電子物性を示す。グラフェンは、π電子共役が二次元に拡張しているため、バンドギャップが実質的にゼロであり、金属的な性質(ギャップレス半導体)を示す。近年、これらの特徴的な電子的機能を活かしたエレクトロニクスデバイスの研究開発が盛んに行われている。 Graphene is a material with a two-dimensional sheet structure in which carbon atoms are arranged in a honeycomb shape. The charge mobility of graphene is extremely high even at room temperature, and graphene exhibits peculiar electronic properties such as ballistic conduction and half-integer quantum Hall effect. Graphene has a bandgap of substantially zero because the π-electron conjugation is extended two-dimensionally, and exhibits metallic properties (gapless semiconductor). In recent years, research and development of electronic devices utilizing these characteristic electronic functions have been actively carried out.

その一方で、ナノサイズのグラフェンは、エッジにある炭素原子の個数とエッジの内側にある炭素原子の個数との差が小さく、グラフェン自体の形状やエッジの形状の影響が大きく、バルク状のグラフェンとは大きく異なる物性を示す。ナノサイズのグラフェンとして、幅が数nmのリボン形状の擬一次元のグラフェン、所謂、グラフェンナノリボン(graphene nanoribbon:GNR)が知られている。GNRの物性は、エッジの構造及びリボン幅によって大きく変化する。 On the other hand, nano-sized graphene has a small difference between the number of carbon atoms on the edge and the number of carbon atoms inside the edge, and the shape of graphene itself and the shape of the edge have a large effect, and bulk graphene. It shows a physical property that is significantly different from that of. As a nano-sized graphene, a ribbon-shaped pseudo-one-dimensional graphene having a width of several nm, a so-called graphene nanoribbon (GNR), is known. The physical characteristics of GNR vary greatly depending on the edge structure and ribbon width.

GNRのエッジ構造には、炭素原子が2原子周期で配列したアームチェアエッジ及び炭素原子がジグザグ状に配列したジグザグエッジの2種類がある。アームチェアエッジ型のGNR(AGNR)では、量子閉じ込め効果及びエッジ効果によって有限のバンドギャップが広がるため、AGNRは半導体的な性質を示す。一方、ジグザグエッジ型のGNR(ZGNR)は金属的な性質を示す。 There are two types of GNR edge structures: armchair edges in which carbon atoms are arranged in a two-atom cycle and zigzag edges in which carbon atoms are arranged in a zigzag pattern. In the armchair edge type GNR (AGNR), the AGNR exhibits semiconducting properties because a finite bandgap is widened by the quantum confinement effect and the edge effect. On the other hand, the zigzag edge type GNR (ZGNR) exhibits metallic properties.

AGNRは、リボン幅方向の炭素原子の数NによりN-AGNRとよばれる。例えば、AGNRのリボン幅方向に六員環が3つ配列したアントラセンを基本ユニットとするAGNRは7-AGNRとよばれる。更に、AGNRはNの値によって、N=3p、3p+1、3p+2(ここで、pは正の整数)の3つのサブファミリーに分類されることがある。理論計算によれば、同じサブファミリー内でのN-AGNRのバンドギャップの大きさ(E)は、Nの値(すなわち、リボン幅)の増加に伴って減少することが示されている。また、各サブファミリー間で、Eには、E 3p+1>E 3p>E 3p+2の大小関係がある。 AGNR is called N-AGNR due to the number N of carbon atoms in the ribbon width direction. For example, an AGNR having an anthracene in which three six-membered rings are arranged in the ribbon width direction of the AGNR as a basic unit is called a 7-AGNR. Further, AGNR may be classified into three subfamilies of N = 3p, 3p + 1, 3p + 2 (where p is a positive integer) depending on the value of N. Theoretical calculations show that the bandgap size (Eg) of N- AGNR within the same subfamily decreases with increasing N value (ie, ribbon width). Further, among each subfamily, E g has a magnitude relationship of E g 3p + 1 > E g 3p > E g 3p + 2 .

近年、リボン幅の異なるAGNRをヘテロ接合し、リボン長さ方向にトポロジー位相を周期的に変化させることで、バンドギャップを制御した例が報告されている。 In recent years, an example has been reported in which the bandgap is controlled by heterojunction of AGNRs having different ribbon widths and periodically changing the topology phase in the ribbon length direction.

特開2019-48791号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2019-48791 特表2015-504046号公報Special Table 2015-504046

L. Yang et al., Phys. Rev. Lett. 99, 186801 (2007)L. Yang et al., Phys. Rev. Lett. 99, 186801 (2007) M. Y. Han et al., Phys. Rev. Lett. 98, 206805 (2007)M. Y. Han et al., Phys. Rev. Lett. 98, 206805 (2007) D. V. Kosynkin et al., Nature 458, 872 (2009)D. V. Kosynkin et al., Nature 458, 872 (2009) X. Li et al., Science 319, 1229 (2008)X. Li et al., Science 319, 1229 (2008) J. Cai et al., Nature 466, 470 (2010)J. Cai et al., Nature 466, 470 (2010) D. J. Rizzo et al., Nature 560, 204 (2018)D. J. Rizzo et al., Nature 560, 204 (2018) T. Cao et al., Rhys. Rev. Lett. 119, 076401 (2017)T. Cao et al., Rhys. Rev. Lett. 119, 076401 (2017)

これまで、トポロジカル不変量Zが0、1のN-AGNRが隣り合ってヘテロ接合したGNRを製造できるGNR前駆体の報告は限定的であり、バンドギャップを多様に変調することができない。 So far, there are limited reports of GNR precursors capable of producing GNRs in which N-AGNRs having a topological invariant Z 2 of 0 and 1 are heterojunctioned next to each other, and the bandgap cannot be modulated in various ways.

本開示の目的は、GNRのバンドギャップを多様に変調することができるグラフェンナノリボン前駆体、グラフェンナノリボン、電子装置、グラフェンナノリボンの製造方法及び電子装置の製造方法を提供することにある。 An object of the present disclosure is to provide a graphene nanoribbon precursor, a graphene nanoribbon, an electronic device, a method for manufacturing a graphene nanoribbon, and a method for manufacturing an electronic device capable of variously modulating the band gap of GNR.

本開示の一形態によれば、下記の化学式(1)で表される構造式を有し、下記の化学式(1)において、nは、1、2又は4であり、nは、n-1であり、X及びYは、F、Cl、Br又はIであり、六員環を構成する炭素原子からのX、Yの脱離温度をそれぞれT、Tとしたとき、T<Tの関係が成り立つグラフェンナノリボン前駆体が提供される。 According to one embodiment of the present disclosure, it has a structural formula represented by the following chemical formula (1), and in the following chemical formula (1), n 1 is 1, 2 or 4, and n 2 is n. 1-1 , X and Y are F, Cl, Br or I, and T is when the desorption temperatures of X and Y from the carbon atoms constituting the six-membered ring are TX and TY, respectively. A graphene nanoribbon precursor with an X < TY relationship is provided.

Figure 2022100723000002
Figure 2022100723000002

本開示によれば、GNRのバンドギャップを多様に変調することができる。 According to the present disclosure, the bandgap of GNR can be modulated in various ways.

第1実施形態に係るGNR前駆体の構造式を示す図である。It is a figure which shows the structural formula of the GNR precursor which concerns on 1st Embodiment. 第1実施形態に係るGNR前駆体を用いたGNRの製造方法を示す図(その1)である。It is a figure (the 1) which shows the manufacturing method of GNR using the GNR precursor which concerns on 1st Embodiment. 第1実施形態に係るGNR前駆体を用いたGNRの製造方法を示す図(その2)である。It is a figure (the 2) which shows the manufacturing method of GNR using the GNR precursor which concerns on 1st Embodiment. 第1実施形態に係るGNRの構造式を示す図である。It is a figure which shows the structural formula of GNR which concerns on 1st Embodiment. 第2実施形態に係るGNR前駆体の構造式を示す図である。It is a figure which shows the structural formula of the GNR precursor which concerns on 2nd Embodiment. 第2実施形態に係るGNR前駆体の製造方法を示す図である。It is a figure which shows the manufacturing method of the GNR precursor which concerns on 2nd Embodiment. 第2実施形態に係るGNR前駆体を用いたGNRの製造方法を示す図(その1)である。It is a figure (the 1) which shows the manufacturing method of GNR using the GNR precursor which concerns on 2nd Embodiment. 第2実施形態に係るGNR前駆体を用いたGNRの製造方法を示す図(その2)である。It is a figure (the 2) which shows the manufacturing method of GNR using the GNR precursor which concerns on 2nd Embodiment. 第2実施形態に係るGNRの構造式の繰り返し単位を示す図である。It is a figure which shows the repeating unit of the structural formula of GNR which concerns on 2nd Embodiment. 第2実施形態に係るGNRのバンド分散を示す図である。It is a figure which shows the band dispersion of GNR which concerns on 2nd Embodiment. 第3実施形態に係るGNR前駆体の構造式を示す図である。It is a figure which shows the structural formula of the GNR precursor which concerns on 3rd Embodiment. 第3実施形態に係るGNR前駆体の製造方法を示す図である。It is a figure which shows the manufacturing method of the GNR precursor which concerns on 3rd Embodiment. 第3実施形態に係るGNR前駆体を用いたGNRの製造方法を示す図(その1)である。It is a figure (the 1) which shows the manufacturing method of GNR using the GNR precursor which concerns on 3rd Embodiment. 第3実施形態に係るGNR前駆体を用いたGNRの製造方法を示す図(その2)である。It is a figure (the 2) which shows the manufacturing method of GNR using the GNR precursor which concerns on 3rd Embodiment. 第3実施形態に係るGNRの構造式の繰り返し単位を示す図である。It is a figure which shows the repeating unit of the structural formula of GNR which concerns on 3rd Embodiment. 第3実施形態に係るGNRのバンド分散を示す図である。It is a figure which shows the band dispersion of GNR which concerns on 3rd Embodiment. 第4実施形態に係るGNR前駆体の構造式を示す図である。It is a figure which shows the structural formula of the GNR precursor which concerns on 4th Embodiment. 第4実施形態に係るGNR前駆体の製造方法を示す図である。It is a figure which shows the manufacturing method of the GNR precursor which concerns on 4th Embodiment. 第4実施形態に係るGNR前駆体を用いたGNRの製造方法を示す図(その1)である。It is a figure (the 1) which shows the manufacturing method of GNR using the GNR precursor which concerns on 4th Embodiment. 第4実施形態に係るGNR前駆体を用いたGNRの製造方法を示す図(その2)である。It is a figure (the 2) which shows the manufacturing method of GNR using the GNR precursor which concerns on 4th Embodiment. 第4実施形態に係るGNRの構造式の繰り返し単位を示す図である。It is a figure which shows the repeating unit of the structural formula of GNR which concerns on 4th Embodiment. 第4実施形態に係るGNRのバンド分散を示す図である。It is a figure which shows the band dispersion of GNR which concerns on 4th Embodiment. 第5実施形態に係る電子装置を示す上面図である。It is a top view which shows the electronic apparatus which concerns on 5th Embodiment. 第5実施形態に係る電子装置を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the electronic apparatus which concerns on 5th Embodiment. 第5実施形態に係る電子装置の製造方法を示す上面図(その1)である。It is a top view (the 1) which shows the manufacturing method of the electronic apparatus which concerns on 5th Embodiment. 第5実施形態に係る電子装置の製造方法を示す上面図(その2)である。It is a top view (No. 2) which shows the manufacturing method of the electronic apparatus which concerns on 5th Embodiment. 第5実施形態に係る電子装置の製造方法を示す上面図(その3)である。It is a top view (No. 3) which shows the manufacturing method of the electronic apparatus which concerns on 5th Embodiment. 第5実施形態に係る電子装置の製造方法を示す上面図(その4)である。It is a top view (the 4) which shows the manufacturing method of the electronic apparatus which concerns on 5th Embodiment. 第5実施形態に係る電子装置の製造方法を示す上面図(その5)である。It is a top view (No. 5) which shows the manufacturing method of the electronic apparatus which concerns on 5th Embodiment. 第5実施形態に係る電子装置の製造方法を示す断面図(その1)である。It is sectional drawing (the 1) which shows the manufacturing method of the electronic apparatus which concerns on 5th Embodiment. 第5実施形態に係る電子装置の製造方法を示す断面図(その2)である。It is sectional drawing (the 2) which shows the manufacturing method of the electronic apparatus which concerns on 5th Embodiment. 第6実施形態に係る電子装置を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the electronic apparatus which concerns on 6th Embodiment. 第6実施形態に係る電子装置の製造方法を示す断面図(その1)である。It is sectional drawing (the 1) which shows the manufacturing method of the electronic apparatus which concerns on 6th Embodiment. 第6実施形態に係る電子装置の製造方法を示す断面図(その2)である。It is sectional drawing (the 2) which shows the manufacturing method of the electronic apparatus which concerns on 6th Embodiment. 第6実施形態に係る電子装置の製造方法を示す断面図(その3)である。It is sectional drawing (the 3) which shows the manufacturing method of the electronic apparatus which concerns on 6th Embodiment. 第6実施形態に係る電子装置の製造方法を示す断面図(その4)である。It is sectional drawing (the 4) which shows the manufacturing method of the electronic apparatus which concerns on 6th Embodiment. 第6実施形態に係る電子装置の製造方法を示す断面図(その5)である。It is sectional drawing (the 5) which shows the manufacturing method of the electronic apparatus which concerns on 6th Embodiment. 第6実施形態に係る電子装置の製造方法を示す断面図(その6)である。It is sectional drawing (the 6) which shows the manufacturing method of the electronic apparatus which concerns on 6th Embodiment. 第6実施形態に係る電子装置の製造方法を示す断面図(その7)である。It is sectional drawing (the 7) which shows the manufacturing method of the electronic apparatus which concerns on 6th Embodiment. 第7実施形態に係る電子装置を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the electronic apparatus which concerns on 7th Embodiment. 第7実施形態に係る電子装置の製造方法を示す断面図(その1)である。It is sectional drawing (the 1) which shows the manufacturing method of the electronic apparatus which concerns on 7th Embodiment. 第7実施形態に係る電子装置の製造方法を示す断面図(その2)である。It is sectional drawing (the 2) which shows the manufacturing method of the electronic apparatus which concerns on 7th Embodiment. 第7実施形態に係る電子装置の製造方法を示す断面図(その3)である。It is sectional drawing (the 3) which shows the manufacturing method of the electronic apparatus which concerns on 7th Embodiment. 第7実施形態に係る電子装置の製造方法を示す断面図(その4)である。It is sectional drawing (the 4) which shows the manufacturing method of the electronic apparatus which concerns on 7th Embodiment. 第7実施形態に係る電子装置の製造方法を示す断面図(その5)である。It is sectional drawing (the 5) which shows the manufacturing method of the electronic apparatus which concerns on 7th Embodiment.

以下、本開示の実施形態について添付の図面を参照しながら具体的に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複した説明を省くことがある。 Hereinafter, embodiments of the present disclosure will be specifically described with reference to the accompanying drawings. In the present specification and the drawings, components having substantially the same functional configuration may be designated by the same reference numerals to omit duplicate explanations.

(第1実施形態)
まず、第1実施形態について説明する。第1実施形態は、グラフェンナノリボン(GNR)及びその製造に好適なGNR前駆体に関する。図1は、第1実施形態に係るGNR前駆体の構造式を示す図である。
(First Embodiment)
First, the first embodiment will be described. The first embodiment relates to a graphene nanoribbon (GNR) and a GNR precursor suitable for producing the same. FIG. 1 is a diagram showing a structural formula of the GNR precursor according to the first embodiment.

第1実施形態に係るGNR前駆体100は図1に示す構造式を有する。図1において、nは、1、2又は4であり、nは、n-1である。つまり、nは0、1又は3である。X及びYは、F、Cl、Br又はIである。六員環を構成する炭素原子からのX、Yの脱離温度をそれぞれT、Tとしたとき、T<Tの関係が成り立つ。つまり、第1実施形態に係るGNR前駆体100は、ジトリフェニレンの基本骨格を備え、n及びnの異なる数の六員環を有する。 The GNR precursor 100 according to the first embodiment has the structural formula shown in FIG. In FIG. 1, n 1 is 1 , 2 or 4, and n 2 is n 1-1. That is, n 2 is 0, 1 or 3. X and Y are F, Cl, Br or I. When the desorption temperatures of X and Y from the carbon atoms constituting the six-membered ring are TX and TY, respectively, the relationship of TX < TY is established. That is, the GNR precursor 100 according to the first embodiment comprises a basic skeleton of ditriphenylene and has a different number of six-membered rings of n 1 and n 2 .

ここで、第1実施形態に係るGNR前駆体100を用いたGNRの製造方法について説明する。図2~図3は、第1実施形態に係るGNR前駆体を用いたGNRの製造方法を示す図である。この方法では、GNRをボトムアップ法によりin situで製造する。 Here, a method for producing GNR using the GNR precursor 100 according to the first embodiment will be described. 2 to 3 are diagrams showing a method for producing GNR using the GNR precursor according to the first embodiment. In this method, GNR is produced in situ by a bottom-up method.

まず、GNRを成長させる基板の表面清浄処理を行う。表面清浄処理により、基板の表面上の有機系汚染物質を除去したり、表面の平坦性を向上したりすることができる。 First, the surface of the substrate on which GNR is grown is cleaned. The surface cleaning treatment can remove organic contaminants on the surface of the substrate and improve the flatness of the surface.

次いで、表面清浄処理を施した基板を大気に曝すことなく、高真空下にて、基板の温度を脱離温度T未満の初期温度に保持し、GNR前駆体100を加熱して昇華させる。昇華したGNR前駆体100は基板上に蒸着する。 Next, the temperature of the substrate is maintained at an initial temperature lower than the desorption temperature TX under high vacuum without exposing the surface-cleaned substrate to the atmosphere, and the GNR precursor 100 is heated and sublimated. The sublimated GNR precursor 100 is deposited on the substrate.

その後、基板をBrの脱離温度以上、かつFの脱離温度未満の第1温度に加熱する。第1温度の基板上において、GNR前駆体100の脱X反応と、Xの脱離点でのGNR前駆体100同士のC-C結合反応とが誘起される。この結果、図2に示すように、一方向に配列したポリマー140が安定的に形成される。 After that, the substrate is heated to a first temperature equal to or higher than the desorption temperature of Br and lower than the desorption temperature of F. On the substrate at the first temperature, a deX reaction of the GNR precursor 100 and a CC bond reaction between the GNR precursors 100 at the desorption point of X are induced. As a result, as shown in FIG. 2, the polymer 140 arranged in one direction is stably formed.

続いて、基板を脱離温度T以上の第2温度に加熱する。第2温度の基板上において、GNR前駆体100の脱Y反応と、Yの脱離点でのGNR前駆体100同士のC-C結合反応とが誘起されるとともに、脱H反応と、環化反応とが誘起される。この結果、図3に示すように、ポリマー140からAGNR150が形成される。AGNR150は、図4に示す構造式130の繰り返し単位からなる。 Subsequently, the substrate is heated to a second temperature equal to or higher than the desorption temperature TY . On the substrate at the second temperature, the de-Y reaction of the GNR precursor 100 and the CC bond reaction between the GNR precursors 100 at the desorption point of Y are induced, and the de-H reaction and the cyclization are induced. A reaction is induced. As a result, AGNR150 is formed from the polymer 140 as shown in FIG. The AGNR150 is a repeating unit of the structural formula 130 shown in FIG.

AGNR150は、トポロジカル不変量Zが相違する第1セグメント151と第2セグメント152とをリボン長さ方向に交互に含み、隣り合う第1セグメント151と第2セグメント152とがヘテロ接合している。例えば、第1セグメント151のトポロジカル不変量Zが0であれば、第2セグメント152のトポロジカル不変量Zは1であり、第1セグメント151のトポロジカル不変量Zが1であれば、第2セグメント152のトポロジカル不変量Zは0である。AGNR150はトポロジカルAGNRということができる。 The AGNR 150 alternately includes the first segment 151 and the second segment 152 having different topological invariants Z 2 in the ribbon length direction, and the adjacent first segment 151 and the second segment 152 are heterozygous. For example, if the topological invariant Z 2 of the first segment 151 is 0, the topological invariant Z 2 of the second segment 152 is 1, and if the topological invariant Z 2 of the first segment 151 is 1, the first The topological invariant Z 2 of the two segments 152 is zero. The AGNR150 can be called a topological AGNR.

このように、第1実施形態に係るGNR前駆体100は、ジトリフェニレンの基本骨格を備え、n及びnの異なる数の六員環を有する。GNR前駆体100を用いてAGNR150を製造することで、AGNR150に、トポロジカル不変量Zが相違する第1セグメント151と第2セグメント152とをリボン長さ方向に交互に含ませることができる。トポロジカル不変量Zが相違する第1セグメント151と第2セグメント152とが隣り合うようにヘテロ接合されることで、AGNR150のバンドギャップ内に新たなトポロリジカルバンドが出現する。従って、第1実施形態によれば、AGNR150のリボン長さ方向にトポロジー位相の周期変化を与えることができ、n及びnの値に応じてAGNR150のバンドギャップを変調することができる。 As described above, the GNR precursor 100 according to the first embodiment comprises a basic skeleton of ditriphenylene and has a different number of six-membered rings of n 1 and n 2 . By producing the AGNR 150 using the GNR precursor 100, the AGNR 150 can contain the first segment 151 and the second segment 152 having different topological invariants Z 2 alternately in the ribbon length direction. By heterojunction of the first segment 151 and the second segment 152 having different topological invariants Z 2 so as to be adjacent to each other, a new toporological band appears in the band gap of AGNR150. Therefore, according to the first embodiment, the periodic change of the topology phase can be given in the ribbon length direction of the AGNR150, and the band gap of the AGNR150 can be modulated according to the values of n 1 and n 2 .

また、第1実施形態に係るGNR前駆体100を用いることで、ボトムアップ法により長いAGNR150を安定的に製造することができる。 Further, by using the GNR precursor 100 according to the first embodiment, a long AGNR150 can be stably produced by a bottom-up method.

なお、第2~第4実施形態おいて詳細に説明するが、GNR前駆体100の合成に際しては、所望とするAGNR150の構造や電子物性(バンドギャップ、仕事関数、電子親和力)に応じて、反応化合物の骨格や修飾基を適宜選択することができる。 As will be described in detail in the second to fourth embodiments, in the synthesis of the GNR precursor 100, a reaction is carried out according to the desired structure and electronic properties (band gap, work function, electron affinity) of AGNR150. The skeleton and modifying group of the compound can be appropriately selected.

(第2実施形態)
次に、第2実施形態について説明する。第2実施形態は、GNR及びその製造に好適なGNR前駆体に関する。図5は、第2実施形態に係るGNR前駆体の構造式を示す図である。
(Second Embodiment)
Next, the second embodiment will be described. The second embodiment relates to GNR and a GNR precursor suitable for producing the same. FIG. 5 is a diagram showing a structural formula of the GNR precursor according to the second embodiment.

第2実施形態に係るGNR前駆体200は図5に示す構造式を有する。すなわち、第2実施形態に係るGNR前駆体200は、図1において、nが1であり、nが0であり、XがBrであり、YがFである構造式を有する。六員環を構成する炭素原子からのBrの脱離温度Tは、六員環を構成する炭素原子からのFの脱離温度Tよりも低い。つまり、第2実施形態に係るGNR前駆体200は、ジトリフェニレンの基本骨格を備え、n及びnの異なる数の六員環を有する。 The GNR precursor 200 according to the second embodiment has the structural formula shown in FIG. That is, the GNR precursor 200 according to the second embodiment has a structural formula in which n 1 is 1, n 2 is 0, X is Br, and Y is F in FIG. 1. The desorption temperature TX of Br from the carbon atom constituting the 6-membered ring is lower than the desorption temperature TY of F from the carbon atom constituting the 6-membered ring. That is, the GNR precursor 200 according to the second embodiment comprises a basic skeleton of ditriphenylene and has a different number of six-membered rings of n 1 and n 2 .

ここで、第2実施形態に係るGNR前駆体200の製造方法について説明する。図6は、第2実施形態に係るGNR前駆体の製造方法を示す図である。 Here, a method for producing the GNR precursor 200 according to the second embodiment will be described. FIG. 6 is a diagram showing a method for producing a GNR precursor according to the second embodiment.

まず、2-アミノ-4-フルオロナフタレン211とアニリン212との混合物に対して、ルイス酸を用いたカップリング反応を行い、ジアミノフェニルナフタレン誘導体213を作製する。次いで、ジアミノフェニルナフタレン誘導体213のアミノ基に対して、ザンドマイヤー反応を行い、ジヨードフェニルナフタレン誘導体214を作製する。次いで、ジヨードフェニルナフタレン誘導体214のヨウ素に対して、スタニル化反応を行い、ジトリメチルスズフェニルナフタレン誘導体215を作製する。次いで、ジトリメチルスズフェニルナフタレン誘導体215と2-ブロモ-3,4-ジヨード-1-メチルベンゼン216とのカップリング反応により、モノマー217を作製する。 First, a coupling reaction using Lewis acid is carried out on a mixture of 2-amino-4-fluoronaphthalene 211 and aniline 212 to prepare a diaminophenylnaphthalene derivative 213. Next, a Sandmeyer reaction is carried out with the amino group of the diaminophenylnaphthalene derivative 213 to prepare the diiodophenylnaphthalene derivative 214. Next, the iodine of the diiodophenylnaphthalene derivative 214 is subjected to a stannylization reaction to prepare a ditrimethyltin phenylnaphthalene derivative 215. Then, the monomer 217 is prepared by a coupling reaction between the ditrimethyltin phenylnaphthalene derivative 215 and 2-bromo-3,4-diiodo-1-methylbenzene216.

別途、2-アミノ-4-ブロモナフタレン221とアニリン222の混合物に対して、ルイス酸を用いたカップリング反応を行い、ジアミノフェニルナフタレン誘導体223を作製する。次いで、ジアミノフェニルナフタレン誘導体223のアミノ基に対して、ザンドマイヤー反応を行い、ジヨードフェニルナフタレン誘導体224を作製する。次いで、ジヨードフェニルナフタレン誘導体224のヨウ素に対して、スタニル化反応を行い、ジトリメチルスズフェニルナフタレン誘導体225を作製する。次いで、ジトリメチルスズフェニルナフタレン誘導体225と2-フルオロ-3,4-ジヨード-1-メチルベンゼン226とのカップリング反応により、モノマー227を作製する。 Separately, a coupling reaction using Lewis acid is carried out on a mixture of 2-amino-4-bromonaphthalene 221 and aniline 222 to prepare a diaminophenylnaphthalene derivative 223. Next, a Sandmeyer reaction is carried out with the amino group of the diaminophenylnaphthalene derivative 223 to prepare the diiodophenylnaphthalene derivative 224. Next, the iodine of the diiodophenylnaphthalene derivative 224 is subjected to a stannylization reaction to prepare a ditrimethyltin phenylnaphthalene derivative 225. Then, the monomer 227 is prepared by a coupling reaction between the ditrimethyltin phenylnaphthalene derivative 225 and 2-fluoro-3,4-diiodo-1-methylbenzene226.

その後、モノマー217とモノマー227とをカップリングしてダイマーを形成する。このようにして、ダイマーとしてGNR前駆体200が合成される。 Then, the monomer 217 and the monomer 227 are coupled to form a dimer. In this way, the GNR precursor 200 is synthesized as a dimer.

なお、上記の反応条件及び溶媒は一例であって、他の反応条件及び溶媒を用いてGNR前駆体200を製造してもよい。 The above reaction conditions and solvent are examples, and the GNR precursor 200 may be produced using other reaction conditions and solvents.

次に、第2実施形態に係るGNR前駆体200を用いたGNRの製造方法について説明する。図7~図8は、第2実施形態に係るGNR前駆体を用いたGNRの製造方法を示す図である。この方法では、第1セグメント251として10-AGNRを含み、第2セグメント252として6-AGNRを含むAGNR250をボトムアップ法によりin situで製造する。 Next, a method for producing GNR using the GNR precursor 200 according to the second embodiment will be described. 7 to 8 are diagrams showing a method for producing GNR using the GNR precursor according to the second embodiment. In this method, AGNR250 containing 10-AGNR as the first segment 251 and 6-AGNR as the second segment 252 is produced in situ by a bottom-up method.

まず、GNRを成長させる基板の表面清浄処理を行う。この表面清浄処理では、例えば、表面へのArイオンスパッタ及び超高真空下でのアニールを1サイクルとし、これを複数サイクル実施する。例えば、各サイクルにおいて、Arイオンスパッタでは、イオン加速電圧を1.0kVとし、イオン電流を10μAとし、時間を1分間とし、アニールでは、5×10-7Pa以下の真空度を保持しつつ、温度を400℃~500℃とし、時間を10分間とする。例えば、サイクル数は3サイクルとする。表面清浄処理により、基板の表面上の有機系汚染物質を除去したり、表面の平坦性を向上したりすることができる。 First, the surface of the substrate on which GNR is grown is cleaned. In this surface cleaning treatment, for example, Ar ion sputtering on the surface and annealing under ultra-high vacuum are set as one cycle, and this is carried out in a plurality of cycles. For example, in each cycle, in Ar ion sputtering, the ion acceleration voltage is 1.0 kV, the ion current is 10 μA, the time is 1 minute, and in annealing, the vacuum degree is maintained at 5 × 10 -7 Pa or less. The temperature is 400 ° C. to 500 ° C., and the time is 10 minutes. For example, the number of cycles is 3 cycles. The surface cleaning treatment can remove organic contaminants on the surface of the substrate and improve the flatness of the surface.

基板としては、触媒作用を有するものを用い、例えば表面のミラー指数が(111)の金属単結晶基板を用いることができる。基板の材料としてはAu、Cu、Ni、Rh、Pd、Ag、Ir及びPtが挙げられる。AGNR250の指向性を制御するために、数nm幅のステップ及びテラス周期構造を有する高指数面の単結晶基板を用いてもよい。このような基板の表面のミラー指数は、例えば(788)である。例えば、表面のミラー指数が(788)のAu基板を用いることができる。基板として、マイカ、サファイア及びMgO等の絶縁基板上に上記のAu等の金属薄膜を堆積した金属薄膜基板を用いてもよい。AGNR250の位置及び指向性を制御するために、金属薄膜を電子線リソグラフィ及びエッチング加工により幅数nmの細線状にパターンニングしたものを用いてもよい。IV族半導体、III-V族化合物半導体、II-VI族化合物半導体及び遷移金属酸化物半導体等の半導体基板を用いてもよい。 As the substrate, a substrate having a catalytic action can be used, for example, a metal single crystal substrate having a surface Miller index of (111) can be used. Examples of the material of the substrate include Au, Cu, Ni, Rh, Pd, Ag, Ir and Pt. In order to control the directivity of the AGNR250, a single crystal substrate having a high exponential plane having a step and terrace periodic structure having a width of several nm may be used. The Miller index on the surface of such a substrate is, for example, (788). For example, an Au substrate having a surface Miller index of (788) can be used. As the substrate, a metal thin film substrate in which the above-mentioned metal thin film such as Au is deposited on an insulating substrate such as mica, sapphire, and MgO may be used. In order to control the position and directivity of the AGNR250, a metal thin film patterned into a fine line having a width of several nm by electron beam lithography and etching may be used. Semiconductor substrates such as group IV semiconductors, group III-V compound semiconductors, group II-VI compound semiconductors, and transition metal oxide semiconductors may be used.

次いで、表面清浄処理を施した基板を大気に曝すことなく、超高真空下にて、基板の温度を、Brの脱離温度未満の初期温度に保持し、GNR前駆体200を加熱して昇華させる。例えば、基板の温度は約25℃の室温とする。また、例えば、GNR前駆体200の加熱及び昇華にはK-cell型エバポレーターを用い、真空槽内の基本真空度は5×10-8Pa以下とし、加熱温度は180℃~220℃とする。昇華したGNR前駆体200は基板上に蒸着する。例えば、蒸着速度は0.05nm/分~0.10nm/分、蒸着膜厚は0.5ML~1MLである。1ML(monolayer)は約0.25nmである。 Next, the temperature of the substrate is maintained at an initial temperature lower than the desorption temperature of Br under ultra-high vacuum without exposing the surface-cleaned substrate to the atmosphere, and the GNR precursor 200 is heated to sublimate. Let me. For example, the temperature of the substrate is room temperature of about 25 ° C. Further, for example, a K-cell type evaporator is used for heating and sublimation of the GNR precursor 200, the basic vacuum degree in the vacuum chamber is 5 × 10-8 Pa or less, and the heating temperature is 180 ° C. to 220 ° C. The sublimated GNR precursor 200 is deposited on the substrate. For example, the vapor deposition rate is 0.05 nm / min to 0.10 nm / min, and the vapor deposition film thickness is 0.5 ML to 1 ML. 1ML (monolayer) is about 0.25 nm.

その後、基板をBrの脱離温度以上、かつFの脱離温度未満の第1温度に加熱する。例えば、第1温度は150℃~250℃とし、初期温度から第1温度までの昇温速度は1℃/分~5℃/分とする。C-F結合エネルギーよりもC-Br結合エネルギーが低いため、150℃~250℃の基板上において、GNR前駆体200の脱Br反応と、Brの脱離点でのGNR前駆体200同士のC-C結合反応とが誘起される。この結果、図7に示すように、一方向に配列したポリマー240が安定的に形成される。 After that, the substrate is heated to a first temperature equal to or higher than the desorption temperature of Br and lower than the desorption temperature of F. For example, the first temperature is 150 ° C. to 250 ° C., and the heating rate from the initial temperature to the first temperature is 1 ° C./min to 5 ° C./min. Since the C—Br binding energy is lower than the CF binding energy, the deBr reaction of the GNR precursor 200 and the C of the GNR precursors 200 at the desorption point of Br on the substrate at 150 ° C to 250 ° C. -C bond reaction is induced. As a result, as shown in FIG. 7, the polymer 240 arranged in one direction is stably formed.

続いて、基板の温度を、Fの脱離温度以上の第2温度に加熱する。例えば、第2温度は300℃~400℃とし、第1温度から第2温度までの昇温速度は1℃/分~5℃/分とする。300℃~400℃の基板上において、脱F反応と、Fの脱離点でのGNR前駆体200同士のC-C結合反応とが誘起されるとともに、脱H反応と、環化反応とが誘起される。この結果、図8に示すように、ポリマー240からAGNR250が形成される。AGNR250は、図9に示す構造式230の繰り返し単位からなる。 Subsequently, the temperature of the substrate is heated to a second temperature equal to or higher than the desorption temperature of F. For example, the second temperature is 300 ° C. to 400 ° C., and the heating rate from the first temperature to the second temperature is 1 ° C./min to 5 ° C./min. On a substrate at 300 ° C. to 400 ° C., a de-F reaction and a CC bond reaction between GNR precursors 200 at the desorption point of F are induced, and a de-H reaction and a cyclization reaction occur. Induced. As a result, AGNR250 is formed from the polymer 240 as shown in FIG. The AGNR 250 is a repeating unit of the structural formula 230 shown in FIG.

AGNR250は、10-AGNRの第1セグメント251と6-AGNRの第2セグメント252とをリボン長さ方向に交互に含み、隣り合う10-AGNRと6-AGNRとがヘテロ接合している。また、10-AGNRのトポロジカル不変量Zは1であり、6-AGNRのトポロジカル不変量Zは0である。つまり、AGNR250は、トポロジカル不変量Zが相違する第1セグメント251と第2セグメント252とをリボン長さ方向に交互に含み、隣り合う第1セグメント251と第2セグメント252とがヘテロ接合している。このように、AGNR250は、10-AGNR及び6-AGNRのトポロジー位相の周期構造を有する。このため、AGNR250によれば、10-AGNR及び6-AGNRのいずれとも異なるバンドギャップEを得ることができる。AGNR250はトポロジカルAGNRということができる。 The AGNR 250 contains the first segment 251 of 10-AGNR and the second segment 252 of 6-AGNR alternately in the ribbon length direction, and the adjacent 10-AGNR and 6-AGNR are heterozygous. Further, the topological invariant Z 2 of 10-AGNR is 1, and the topological invariant Z 2 of 6-AGNR is 0. That is, the AGNR 250 alternately includes the first segment 251 and the second segment 252 having different topological invariants Z 2 in the ribbon length direction, and the adjacent first segment 251 and the second segment 252 are heterojunctioned. There is. Thus, the AGNR 250 has a periodic structure of topological phases of 10-AGNR and 6-AGNR. Therefore, according to AGNR250, a bandgap Eg different from any of 10-AGNR and 6- AGNR can be obtained. The AGNR 250 can be called a topological AGNR.

第2実施形態に係るAGNR250の第一原理シミュレーション(密度汎関数法/一般化勾配近似:DFT-GGA)で計算されたバンド分散を図10に示す。図10に示すように、AGNR250のバンドギャップEは0.57eVという結果が得られた。 FIG. 10 shows the band variance calculated by the first-principles simulation (density functional theory / generalized gradient approximation: DFT-GGA) of AGNR250 according to the second embodiment. As shown in FIG. 10, the bandgap Eg of AGNR250 was 0.57 eV.

(第3実施形態)
次に、第3実施形態について説明する。第3実施形態は、GNR及びその製造に好適なGNR前駆体に関する。図11は、第3実施形態に係るGNR前駆体の構造式を示す図である。
(Third Embodiment)
Next, the third embodiment will be described. The third embodiment relates to GNR and a GNR precursor suitable for producing the same. FIG. 11 is a diagram showing a structural formula of the GNR precursor according to the third embodiment.

第3実施形態に係るGNR前駆体300は図11に示す構造式を有する。すなわち、第3実施形態に係るGNR前駆体300は、図1において、nが2であり、nが1であり、XがBrであり、YがFである構造式を有する。六員環を構成する炭素原子からのBrの脱離温度Tは、六員環を構成する炭素原子からのFの脱離温度Tよりも低い。つまり、第3実施形態に係るGNR前駆体300は、ジトリフェニレンの基本骨格を備え、n及びnの異なる数の六員環を有する。 The GNR precursor 300 according to the third embodiment has the structural formula shown in FIG. That is, the GNR precursor 300 according to the third embodiment has a structural formula in which n 1 is 2, n 2 is 1, X is Br, and Y is F in FIG. 1. The desorption temperature TX of Br from the carbon atom constituting the 6-membered ring is lower than the desorption temperature TY of F from the carbon atom constituting the 6-membered ring. That is, the GNR precursor 300 according to the third embodiment comprises a basic skeleton of ditriphenylene and has a different number of six-membered rings of n 1 and n 2 .

ここで、第3実施形態に係るGNR前駆体300の製造方法について説明する。図12は、第3実施形態に係るGNR前駆体の製造方法を示す図である。 Here, a method for producing the GNR precursor 300 according to the third embodiment will be described. FIG. 12 is a diagram showing a method for producing a GNR precursor according to a third embodiment.

まず、2-アミノ-4-フルオロアントラセン311と2-アミノ-ナフタレン312との混合物に対して、ルイス酸を用いたカップリング反応を行い、ジアミノナフチルアントラセン誘導体313を作製する。次いで、ジアミノナフチルアントラセン誘導体313のアミノ基に対して、ザンドマイヤー反応を行い、ジヨードナフチルアントラセン誘導体314を作製する。次いで、ジヨードナフチルアントラセン誘導体314のヨウ素に対して、スタニル化反応を行い、ジトリメチルスズナフチルアントラセン誘導体315を作製する。次いで、ジトリメチルスズナフチルアントラセン誘導体315と1-ブロモ-2,3-ジヨード-7-メチルナフタレン316とのカップリング反応により、モノマー317を作製する。 First, a coupling reaction using Lewis acid is carried out on a mixture of 2-amino-4-fluoroanthracene 311 and 2-amino-naphthalene 312 to prepare a diaminonaphthylanthracene derivative 313. Next, a Sandmeyer reaction is carried out with respect to the amino group of the diaminonaphthylanthracene derivative 313 to prepare the diiodonaftyl anthracene derivative 314. Next, the iodine of the diiodonaftyl anthracene derivative 314 is subjected to a stannylization reaction to prepare the ditrimethyltinnaphthylanthracene derivative 315. Then, the monomer 317 is prepared by a coupling reaction between the ditrimethyltinnaphthylanthracene derivative 315 and 1-bromo-2,3-diiodo-7-methylnaphthalene 316.

別途、2-アミノ-4-ブロモアントラセン321と2-アミノ-ナフタレン322との混合物に対して、ルイス酸を用いたカップリング反応を行い、ジアミノナフチルアントラセン誘導体323を作製する。次いで、ジアミノナフチルアントラセン誘導体323のアミノ基に対して、ザンドマイヤー反応を行い、ジヨードナフチルアントラセン誘導体324を作製する。次いで、ジヨードナフチルアントラセン誘導体324のヨウ素に対して、スタニル化反応を行い、ジトリメチルスズナフチルアントラセン誘導体325を作製する。次いで、ジトリメチルスズナフチルアントラセン誘導体325と1-フルオロ-2,3-ジヨード-7-メチルナフタレン326とのカップリング反応により、モノマー327を作製する。 Separately, a coupling reaction using Lewis acid is carried out on a mixture of 2-amino-4-bromoanthracene 321 and 2-amino-naphthalene 322 to prepare a diaminonaphthylanthracene derivative 323. Next, a Sandmeyer reaction is carried out with respect to the amino group of the diaminonaphthylanthracene derivative 323 to prepare the diiodonaftyl anthracene derivative 324. Next, the iodine of the diiodonaftyl anthracene derivative 324 is subjected to a stanylation reaction to prepare a ditrimethyltinnaphthylanthracene derivative 325. Then, the monomer 327 is prepared by a coupling reaction between the ditrimethyltinnaphthylanthracene derivative 325 and 1-fluoro-2,3-diiodo-7-methylnaphthalene 326.

その後、モノマー317とモノマー327とをカップリングしてダイマーを形成する。このようにして、ダイマーとしてGNR前駆体300が合成される。 Then, the monomer 317 and the monomer 327 are coupled to form a dimer. In this way, the GNR precursor 300 is synthesized as a dimer.

なお、上記の反応条件及び溶媒は一例であって、他の反応条件及び溶媒を用いてGNR前駆体300を製造してもよい。 The above reaction conditions and solvent are examples, and the GNR precursor 300 may be produced using other reaction conditions and solvents.

次に、第3実施形態に係るGNR前駆体300を用いたGNRの製造方法について説明する。図13~図14は、第3実施形態に係るGNR前駆体を用いたGNRの製造方法を示す図である。この方法では、第1セグメント351として14-AGNRを含み、第2セグメント352として10-AGNRを含むAGNR350をボトムアップ法によりin situで製造する。 Next, a method for producing GNR using the GNR precursor 300 according to the third embodiment will be described. 13 to 14 are diagrams showing a method for producing GNR using the GNR precursor according to the third embodiment. In this method, AGNR350 containing 14-AGNR as the first segment 351 and 10-AGNR as the second segment 352 is produced in situ by a bottom-up method.

まず、第2実施形態と同様にして、GNRを成長させる基板の表面清浄処理を行う。基板としては、第2実施形態と同様のものを用いることができる。次いで、表面清浄処理を施した基板を大気に曝すことなく、超高真空下にて、基板の温度を、Brの脱離温度未満の初期温度に保持し、GNR前駆体300を加熱して昇華させる。例えば、基板の温度は約25℃の室温とする。また、例えば、GNR前駆体300の加熱及び昇華にはK-cell型エバポレーターを用い、真空槽内の基本真空度は5×10-8Pa以下とし、加熱温度は230℃~270℃とする。昇華したGNR前駆体300は基板上に蒸着する。 First, the surface of the substrate on which GNR is grown is cleaned in the same manner as in the second embodiment. As the substrate, the same substrate as in the second embodiment can be used. Next, the temperature of the substrate is maintained at an initial temperature lower than the desorption temperature of Br under ultra-high vacuum without exposing the surface-cleaned substrate to the atmosphere, and the GNR precursor 300 is heated and sublimated. Let me. For example, the temperature of the substrate is room temperature of about 25 ° C. Further, for example, a K-cell type evaporator is used for heating and sublimation of the GNR precursor 300, the basic vacuum degree in the vacuum chamber is 5 × 10-8 Pa or less, and the heating temperature is 230 ° C. to 270 ° C. The sublimated GNR precursor 300 is deposited on the substrate.

その後、基板の温度を、Brの脱離温度以上、かつFの脱離温度未満の第1温度に加熱する。例えば、第1温度は150℃~250℃とし、初期温度から第1温度までの昇温速度は1℃/分~5℃/分とする。150℃~250℃の基板上において、脱Br反応と、Brの脱離点でのGNR前駆体300同士のC-C結合反応とが誘起される。この結果、図13に示すように、一方向に配列したポリマー340が安定的に形成される。 After that, the temperature of the substrate is heated to a first temperature equal to or higher than the desorption temperature of Br and lower than the desorption temperature of F. For example, the first temperature is 150 ° C. to 250 ° C., and the heating rate from the initial temperature to the first temperature is 1 ° C./min to 5 ° C./min. On a substrate at 150 ° C. to 250 ° C., a deBr reaction and a CC bond reaction between GNR precursors 300 at the desorption point of Br are induced. As a result, as shown in FIG. 13, the polymer 340 arranged in one direction is stably formed.

続いて、基板の温度を、Fの脱離温度以上の第2温度に加熱する。例えば、第2温度は300℃~400℃とし、第1温度から第2温度までの昇温速度は1℃/分~5℃/分とする。300℃~400℃の基板上において、脱F反応と、Fの脱離点でのGNR前駆体300同士のC-C結合反応とが誘起されるとともに、脱H反応と、環化反応とが誘起される。この結果、図14に示すように、ポリマー340からAGNR350が形成される。AGNR350は、図15に示す構造式330の繰り返し単位からなる。 Subsequently, the temperature of the substrate is heated to a second temperature equal to or higher than the desorption temperature of F. For example, the second temperature is 300 ° C. to 400 ° C., and the heating rate from the first temperature to the second temperature is 1 ° C./min to 5 ° C./min. On a substrate at 300 ° C. to 400 ° C., a de-F reaction and a CC bond reaction between GNR precursors 300 at the desorption point of F are induced, and a de-H reaction and a cyclization reaction occur. Induced. As a result, AGNR350 is formed from the polymer 340 as shown in FIG. The AGNR350 is a repeating unit of the structural formula 330 shown in FIG.

AGNR350は、14-AGNRの第1セグメント351と10-AGNRの第2セグメント352とをリボン長さ方向に交互に含み、隣り合う14-AGNRと10-AGNRとがヘテロ接合している。また、14-AGNRのトポロジカル不変量Zは0であり、10-AGNRのトポロジカル不変量Zは1である。つまり、AGNR350は、トポロジカル不変量Zが相違する第1セグメント351と第2セグメント352とをリボン長さ方向に交互に含み、隣り合う第1セグメント351と第2セグメント352とがヘテロ接合している。このように、AGNR350は、14-AGNR及び10-AGNRのトポロジー位相の周期構造を有する。このため、AGNR350によれば、14-AGNR及び10-AGNRのいずれとも異なるバンドギャップEを得ることができる。AGNR350はトポロジカルAGNRということができる。 The AGNR350 contains the first segment 351 of 14-AGNR and the second segment 352 of 10-AGNR alternately in the ribbon length direction, and the adjacent 14-AGNR and 10-AGNR are heterozygous. Further, the topological invariant Z 2 of 14-AGNR is 0, and the topological invariant Z 2 of 10-AGNR is 1. That is, the AGNR350 alternately includes the first segment 351 and the second segment 352 having different topological invariants Z 2 in the ribbon length direction, and the adjacent first segment 351 and the second segment 352 are heterozygous. There is. Thus, the AGNR350 has a periodic structure of topological phases of 14-AGNR and 10-AGNR. Therefore, according to AGNR350, a bandgap Eg different from any of 14-AGNR and 10- AGNR can be obtained. The AGNR350 can be called a topological AGNR.

第3実施形態に係るAGNR350のDFT-GGAで計算されたバンド分散を図16に示す。図16に示すように、AGNR350のバンドギャップEは0.45eVという結果が得られた。 The band dispersion calculated by DFT-GGA of AGNR350 according to the third embodiment is shown in FIG. As shown in FIG. 16, the bandgap Eg of AGNR350 was 0.45 eV.

(第4実施形態)
次に、第4実施形態について説明する。第4実施形態は、GNR及びその製造に好適なGNR前駆体に関する。図17は、第4実施形態に係るGNR前駆体の構造式を示す図である。
(Fourth Embodiment)
Next, the fourth embodiment will be described. The fourth embodiment relates to GNR and a GNR precursor suitable for producing the same. FIG. 17 is a diagram showing a structural formula of the GNR precursor according to the fourth embodiment.

第4実施形態に係るGNR前駆体400は図17に示す構造式を有する。すなわち、第3実施形態に係るGNR前駆体400は、図1において、nが4であり、nが3であり、XがBrであり、YがFである構造式を有する。六員環を構成する炭素原子からのBrの脱離温度Tは、六員環を構成する炭素原子からのFの脱離温度Tよりも低い。つまり、第4実施形態に係るGNR前駆体400は、ジトリフェニレンの基本骨格を備え、n及びnの異なる数の六員環を有する。 The GNR precursor 400 according to the fourth embodiment has the structural formula shown in FIG. That is, the GNR precursor 400 according to the third embodiment has a structural formula in which n 1 is 4, n 2 is 3, X is Br, and Y is F in FIG. 1. The desorption temperature TX of Br from the carbon atom constituting the 6-membered ring is lower than the desorption temperature TY of F from the carbon atom constituting the 6-membered ring. That is, the GNR precursor 400 according to the fourth embodiment comprises a basic skeleton of ditriphenylene and has a different number of six-membered rings of n 1 and n 2 .

ここで、第4実施形態に係るGNR前駆体400の製造方法について説明する。図18は、第4実施形態に係るGNR前駆体の製造方法を示す図である。 Here, a method for producing the GNR precursor 400 according to the fourth embodiment will be described. FIG. 18 is a diagram showing a method for producing a GNR precursor according to a fourth embodiment.

まず、2-アミノ-4-フルオロペンタセン411と2-アミノ-テトラセン412との混合物に対して、ルイス酸を用いたカップリング反応を行い、ジアミノテトラセニルペンタセン誘導体413を作製する。次いで、ジアミノテトラセニルペンタセン誘導体413のアミノ基に対して、ザンドマイヤー反応を行い、ジヨードテトラセニルペンタセン誘導体414を作製する。次いで、ジヨードテトラセニルペンタセン誘導体414のヨウ素に対して、スタニル化反応を行い、ジトリメチルスズテトラセニルペンタセン誘導体415を作製する。次いで、ジトリメチルスズテトラセニルペンタセン誘導体415と1-ブロモ-2,3-ジヨード-9-メチルテトラセン416とのカップリング反応により、モノマー417を作製する。 First, a coupling reaction using Lewis acid is carried out on a mixture of 2-amino-4-fluoropentacene 411 and 2-amino-tetracene 412 to prepare a diaminotetrasenylpentacene derivative 413. Next, a Sandmeyer reaction is carried out with the amino group of the diaminotetrasenyl pentacene derivative 413 to prepare the diiodotetrasenyl pentacene derivative 414. Next, the iodine of the diiodotetrasenylpentacene derivative 414 is subjected to a stannylization reaction to prepare the ditrimethyltin tetrasenylpentacene derivative 415. Then, the monomer 417 is prepared by a coupling reaction between the ditrimethyltin tetrasenylpentacene derivative 415 and 1-bromo-2,3-diiodo-9-methyltetracene 416.

別途、2-アミノ-4-ブロモペンタセン421と2-アミノ-テトラセン422との混合物に対して、ルイス酸を用いたカップリング反応を行い、ジアミノテトラセニルペンタセン誘導体423を作製する。次いで、ジアミノテトラセニルペンタセン誘導体423のアミノ基に対して、ザンドマイヤー反応を行い、ジヨードテトラセニルペンタセン誘導体424を作製する。次いで、ジヨードテトラセニルペンタセン誘導体424のヨウ素に対して、スタニル化反応を行い、ジトリメチルスズテトラセニルペンタセン誘導体425を作製する。次いで、ジトリメチルスズテトラセニルペンタセン誘導体425と1-フルオロ-2,3-ジヨード-9-メチルテトラセン426とのカップリング反応により、モノマー427を作製する。 Separately, a coupling reaction using Lewis acid is carried out on a mixture of 2-amino-4-bromopentacene 421 and 2-amino-tetracene 422 to prepare a diaminotetrasenylpentacene derivative 423. Next, a Sandmeyer reaction is carried out with respect to the amino group of the diaminotetrasenyl pentacene derivative 423 to prepare the diiodotetrasenyl pentacene derivative 424. Next, the iodine of the diiodotetrasenylpentacene derivative 424 is subjected to a stannylization reaction to prepare a ditrimethyltin tetrasenylpentacene derivative 425. Then, the monomer 427 is prepared by a coupling reaction between the ditrimethyltin tetrasenylpentacene derivative 425 and 1-fluoro-2,3-diiodo-9-methyltetracene 426.

その後、モノマー417とモノマー427とをカップリングしてダイマーを形成する。このようにして、ダイマーとしてGNR前駆体400が合成される。 Then, the monomer 417 and the monomer 427 are coupled to form a dimer. In this way, the GNR precursor 400 is synthesized as a dimer.

なお、上記の反応条件及び溶媒は一例であって、他の反応条件及び溶媒を用いてGNR前駆体400を製造してもよい。 The above reaction conditions and solvent are examples, and the GNR precursor 400 may be produced using other reaction conditions and solvents.

次に、第4実施形態に係るGNR前駆体400を用いたGNRの製造方法について説明する。図19~図20は、第4実施形態に係るGNR前駆体を用いたGNRの製造方法を示す図である。この方法では、第1セグメント451として22-AGNRを含み、第2セグメント452として18-AGNRを含むAGNR450をボトムアップ法によりin situで製造する。 Next, a method for producing GNR using the GNR precursor 400 according to the fourth embodiment will be described. 19 to 20 are diagrams showing a method for producing GNR using the GNR precursor according to the fourth embodiment. In this method, AGNR450 containing 22-AGNR as the first segment 451 and 18-AGNR as the second segment 452 is produced in situ by a bottom-up method.

まず、第2実施形態と同様にして、GNRを成長させる基板の表面清浄処理を行う。基板としては、第2実施形態と同様のものを用いることができる。次いで、表面清浄処理を施した基板を大気に曝すことなく、超高真空下にて、基板の温度を、Brの脱離温度未満の初期温度に保持し、GNR前駆体400を加熱して昇華させる。例えば、基板の温度は約25℃の室温とする。また、例えば、GNR前駆体400の加熱及び昇華にはK-cell型エバポレーターを用い、真空槽内の基本真空度は5×10-8Pa以下とし、加熱温度は330℃~370℃とする。昇華したGNR前駆体300は基板上に蒸着する。 First, the surface of the substrate on which GNR is grown is cleaned in the same manner as in the second embodiment. As the substrate, the same substrate as in the second embodiment can be used. Next, the temperature of the substrate is maintained at an initial temperature lower than the desorption temperature of Br under ultra-high vacuum without exposing the surface-cleaned substrate to the atmosphere, and the GNR precursor 400 is heated and sublimated. Let me. For example, the temperature of the substrate is room temperature of about 25 ° C. Further, for example, a K-cell type evaporator is used for heating and sublimation of the GNR precursor 400, the basic vacuum degree in the vacuum chamber is 5 × 10-8 Pa or less, and the heating temperature is 330 ° C. to 370 ° C. The sublimated GNR precursor 300 is deposited on the substrate.

その後、基板の温度を、Brの脱離温度以上、かつFの脱離温度未満の第1温度に加熱する。例えば、第1温度は150℃~250℃とし、初期温度から第1温度までの昇温速度は1℃/分~5℃/分とする。150℃~250℃の基板上において、脱Br反応と、Brの脱離点でのGNR前駆体400同士のC-C結合反応とが誘起される。この結果、図19に示すように、一方向に配列したポリマー440が安定的に形成される。 After that, the temperature of the substrate is heated to a first temperature equal to or higher than the desorption temperature of Br and lower than the desorption temperature of F. For example, the first temperature is 150 ° C. to 250 ° C., and the heating rate from the initial temperature to the first temperature is 1 ° C./min to 5 ° C./min. On a substrate at 150 ° C. to 250 ° C., a deBr reaction and a CC bond reaction between GNR precursors 400 at the desorption point of Br are induced. As a result, as shown in FIG. 19, the polymer 440 arranged in one direction is stably formed.

続いて、基板の温度を、Fの脱離温度以上の第2温度に加熱する。例えば、第2温度は300℃~400℃とし、第1温度から第2温度までの昇温速度は1℃/分~5℃/分とする。300℃~400℃の基板上において、脱F反応と、Fの脱離点でのGNR前駆体400同士のC-C結合反応とが誘起されるとともに、脱H反応と、環化反応とが誘起される。この結果、図20に示すように、ポリマー440からAGNR450が形成される。AGNR450は、図21に示す構造式430の繰り返し単位からなる。 Subsequently, the temperature of the substrate is heated to a second temperature equal to or higher than the desorption temperature of F. For example, the second temperature is 300 ° C. to 400 ° C., and the heating rate from the first temperature to the second temperature is 1 ° C./min to 5 ° C./min. On a substrate at 300 ° C. to 400 ° C., a de-F reaction and a CC bond reaction between GNR precursors 400 at the desorption point of F are induced, and a de-H reaction and a cyclization reaction occur. Induced. As a result, AGNR450 is formed from the polymer 440 as shown in FIG. The AGNR450 is a repeating unit of the structural formula 430 shown in FIG.

AGNR450は、22-AGNRの第1セグメント451と18-AGNRの第2セグメント452とをリボン長さ方向に交互に含み、隣り合う22-AGNRと18-AGNRとがヘテロ接合している。また、22-AGNRのトポロジカル不変量Zは1であり、18-AGNRのトポロジカル不変量Zは0である。つまり、AGNR450は、トポロジカル不変量Zが相違する第1セグメント451と第2セグメント452とをリボン長さ方向に交互に含み、隣り合う第1セグメント451と第2セグメント452とがヘテロ接合している。このように、AGNR450は、22-AGNR及び18-AGNRのトポロジー位相の周期構造を有する。このため、AGNR450によれば、22-AGNR及び18-AGNRのいずれとも異なるバンドギャップEを得ることができる。AGNR450はトポロジカルAGNRということができる。 The AGNR450 contains the first segment 451 of 22-AGNR and the second segment 452 of 18-AGNR alternately in the ribbon length direction, and the adjacent 22-AGNR and 18-AGNR are heterozygous. Further, the topological invariant Z 2 of 22-AGNR is 1, and the topological invariant Z 2 of 18-AGNR is 0. That is, the AGNR450 alternately includes the first segment 451 and the second segment 452 having different topological invariants Z 2 in the ribbon length direction, and the adjacent first segment 451 and the second segment 452 are heterojunctioned. There is. As described above, AGNR450 has a periodic structure of topological phases of 22-AGNR and 18-AGNR. Therefore, according to AGNR450, a bandgap Eg different from that of 22-AGNR and 18- AGNR can be obtained. The AGNR450 can be called a topological AGNR.

第4実施形態に係るAGNR450のDFT-GGAで計算されたバンド分散を図22に示す。図22に示すように、AGNR450のバンドギャップEは0.10eVという結果が得られた。 FIG. 22 shows the band dispersion calculated by DFT-GGA of AGNR450 according to the fourth embodiment. As shown in FIG. 22, the bandgap Eg of AGNR450 was 0.10 eV.

(第5実施形態)
次に、第5実施形態について説明する。第5実施形態は、AGNRをチャネルに用いた電界効果トランジスタ(field effect transistor:FET)を含む電子装置に関する。図23は、第5実施形態に係る電子装置を示す上面図である。図24は、第5実施形態に係る電子装置を示す断面図である。図24は、図23中のXXIV- XXIV線に沿った断面図に相当する。
(Fifth Embodiment)
Next, the fifth embodiment will be described. A fifth embodiment relates to an electronic device including a field effect transistor (FET) using AGNR as a channel. FIG. 23 is a top view showing the electronic device according to the fifth embodiment. FIG. 24 is a cross-sectional view showing the electronic device according to the fifth embodiment. FIG. 24 corresponds to a cross-sectional view taken along the line XXIV-XXIV in FIG.

図23及び図24に示すように、第5実施形態に係る電子装置500は、絶縁基板501と、絶縁基板501の上方に設けられたAGNR503と、を有する。AGNR503は、例えば第1実施形態に係るAGNR150である。AGNR503のリボン長さ方向の一方の端部と絶縁基板501との間に金属層502Sが形成され、他方の端部と絶縁基板501との間に金属層502Dが形成されている。絶縁基板501上に、AGNR503の一方の端部及び金属層502Sに接するソース電極504と、AGNR503の他方の端部及び金属層502Dに接するドレイン電極505とが形成されている。ソース電極504とドレイン電極505との間で、AGNR503上にゲート絶縁層507及びゲート電極506が形成されている。 As shown in FIGS. 23 and 24, the electronic device 500 according to the fifth embodiment has an insulating substrate 501 and an AGNR 503 provided above the insulating substrate 501. AGNR503 is, for example, AGNR150 according to the first embodiment. A metal layer 502S is formed between one end of the AGNR503 in the ribbon length direction and the insulating substrate 501, and a metal layer 502D is formed between the other end and the insulating substrate 501. A source electrode 504 in contact with one end of the AGNR 503 and the metal layer 502S and a drain electrode 505 in contact with the other end of the AGNR 503 and the metal layer 502D are formed on the insulating substrate 501. A gate insulating layer 507 and a gate electrode 506 are formed on the AGNR 503 between the source electrode 504 and the drain electrode 505.

例えば、絶縁基板501は劈開して清浄表面を出したマイカ基板であり、金属層502S及び502Dは厚さが10nm~50nmのAu層である。ソース電極504、ドレイン電極505及びゲート電極506は、例えば、厚さが0.5nm~1nmのTi膜と、その上の厚さが30nm~50nmのCr膜とを有し、ゲート絶縁層507は厚さが5nm~10nmのY層である。 For example, the insulating substrate 501 is a mica substrate that is cleaved to have a clean surface, and the metal layers 502S and 502D are Au layers having a thickness of 10 nm to 50 nm. The source electrode 504, the drain electrode 505, and the gate electrode 506 have, for example, a Ti film having a thickness of 0.5 nm to 1 nm and a Cr film having a thickness of 30 nm to 50 nm on the Ti film, and the gate insulating layer 507 has a gate insulating layer 507. It is a Y2O3 layer having a thickness of 5 nm to 10 nm.

次に、第5実施形態に係る電子装置500の製造方法について説明する。図25~図29は、第5実施形態に係る電子装置の製造方法を示す上面図である。図30~図31は、第5実施形態に係る電子装置の製造方法を示す断面図である。図30は、図28中のXXX-XXX線に沿った断面図に相当し、図31は、図29中のXXXI-XXXI線に沿った断面図に相当する。 Next, a method of manufacturing the electronic device 500 according to the fifth embodiment will be described. 25 to 29 are top views showing a method of manufacturing an electronic device according to a fifth embodiment. 30 to 31 are sectional views showing a method of manufacturing an electronic device according to a fifth embodiment. FIG. 30 corresponds to a cross-sectional view taken along the line XXX-XXXI in FIG. 28, and FIG. 31 corresponds to a cross-sectional view taken along the line XXXI-XXXI in FIG. 29.

まず、図25に示すように、絶縁基板501上に金属層を堆積し、電子線リソグラフィ及びドライエッチングにより金属層をパターニングすることにより金属パターン502を形成する。例えば、絶縁基板501は劈開して清浄表面を出したマイカ基板であり、金属層は厚さが10nm~50nmのAu層である。Au層は蒸着法によりマイカ基板の劈開面上に堆積することができる。マイカ基板を400℃~550℃の温度に加熱しながらAu層を堆積することにより、Au層の表面を(111)面に配向させることができる。金属層の材料に、Cu、Ni、Rh、Pd、Ag、Ir又はPtを用いてもよい。基板の種類に応じて金属層のエピタキシャル結晶面を制御することができる。 First, as shown in FIG. 25, a metal layer is deposited on the insulating substrate 501, and the metal layer is patterned by electron beam lithography and dry etching to form a metal pattern 502. For example, the insulating substrate 501 is a mica substrate that is cleaved to expose a clean surface, and the metal layer is an Au layer having a thickness of 10 nm to 50 nm. The Au layer can be deposited on the cleavage plane of the mica substrate by the vapor deposition method. By depositing the Au layer while heating the mica substrate to a temperature of 400 ° C. to 550 ° C., the surface of the Au layer can be oriented toward the (111) plane. Cu, Ni, Rh, Pd, Ag, Ir or Pt may be used as the material of the metal layer. The epitaxial crystal plane of the metal layer can be controlled according to the type of the substrate.

GNR前駆体の重合反応及び環化反応は絶縁基板501の表面上では誘起されない。従って、金属パターン502の位置及びサイズよりAGNRの位置及びサイズを制御することができる。例えば、金属パターン502の長手方向の寸法(長さ)は製造しようとするFETのチャネル長を考慮して調整し、短手方向の寸法(幅)はFETに用いるAGNRのリボン幅を考慮して調整する。例えば、金属パターン502の長さは50nm~500nmとし、幅は1nm~5nmとする。 The polymerization and cyclization reactions of the GNR precursor are not induced on the surface of the insulating substrate 501. Therefore, the position and size of the AGNR can be controlled from the position and size of the metal pattern 502. For example, the longitudinal dimension (length) of the metal pattern 502 is adjusted in consideration of the channel length of the FET to be manufactured, and the lateral dimension (width) is adjusted in consideration of the ribbon width of the AGNR used for the FET. adjust. For example, the length of the metal pattern 502 is 50 nm to 500 nm, and the width is 1 nm to 5 nm.

金属層のパターニングでは、金属層上に電子線レジストをスピンコートし、金属層をエッチングするためのマスクパターンを電子線レジストに形成する。電子線レジストには、ZEP 520A(日本ゼオン社製)をZEP-A(同社製)で1:1に希釈したレジストを用いることができる。そして、マスクパターンを用いて、Arイオンミリングにより金属層のエッチング処理を行う。このようにして、金属パターン502を形成することができる。 In the patterning of the metal layer, an electron beam resist is spin-coated on the metal layer, and a mask pattern for etching the metal layer is formed on the electron beam resist. As the electron beam resist, a resist obtained by diluting ZEP 520A (manufactured by Zeon Corporation) 1: 1 with ZEP-A (manufactured by Zeon Corporation) can be used. Then, using the mask pattern, the metal layer is etched by Ar ion milling. In this way, the metal pattern 502 can be formed.

次いで、図26に示すように、金属パターン502上にAGNR503を形成する。AGNR503は、第1実施形態に係るGNR前駆体100を用いて形成することができる。AGNR503の形成の前処理として、金属パターン502の表面清浄処理を行う。この表面清浄処理により、金属パターン502の表面に付着したレジスト残渣などの有機系汚染物質を除去することができ、さらに、Au層の(111)面の平坦性をより向上させることができる。AGNR503は、表面清浄処理を施した金属パターン502を大気に曝すことなく、超高真空の真空槽内にてin situで形成する。 Then, as shown in FIG. 26, AGNR503 is formed on the metal pattern 502. AGNR503 can be formed using the GNR precursor 100 according to the first embodiment. As a pretreatment for the formation of AGNR503, a surface cleaning treatment of the metal pattern 502 is performed. By this surface cleaning treatment, organic contaminants such as resist residue adhering to the surface of the metal pattern 502 can be removed, and the flatness of the (111) surface of the Au layer can be further improved. The AGNR503 is formed in situ in an ultra-high vacuum vacuum chamber without exposing the surface-cleaned metal pattern 502 to the atmosphere.

例えば、絶縁基板501及び金属パターン502の温度を室温に保持しながらGNR前駆体100を金属パターン502の表面上に蒸着し、その後、絶縁基板501及び金属パターン502の温度を380℃~420℃に昇温する。この結果、GNR前駆体100の重合反応及び環化反応等が誘起され、金属パターン502により位置及びサイズが制御されたAGNR503が形成される。すなわち、金属パターン502の長手方向に沿って延びるようにAGNR503が自己組織的に形成される。 For example, the GNR precursor 100 is deposited on the surface of the metal pattern 502 while keeping the temperature of the insulating substrate 501 and the metal pattern 502 at room temperature, and then the temperature of the insulating substrate 501 and the metal pattern 502 is set to 380 ° C to 420 ° C. The temperature rises. As a result, a polymerization reaction, a cyclization reaction, and the like of the GNR precursor 100 are induced, and AGNR503 whose position and size are controlled by the metal pattern 502 is formed. That is, AGNR503 is self-organized so as to extend along the longitudinal direction of the metal pattern 502.

続いて、図27に示すように、電子線リソグラフィ、蒸着法及びリフトオフにより、AGNR503の一方の端部上にソース電極504を形成し、他方の端部上にドレイン電極505を形成する。ソース電極504及びドレイン電極505は、例えばTi膜及びその上のCr膜を含む2層電極である。ソース電極504及びドレイン電極505の形成では、AGNR503、金属パターン502及び絶縁基板501上に2層レジストをスピンコートし、電子線リソグラフィにより2層レジストに電極パターンを形成する。例えば、2層レジストの上層にはZEP 520Aの希釈レジストを用い、犠牲層である下層にはPMGI SFG2S(KAYAKU Advanced Materials, Inc.製)を用いる。電極パターンの形成後、厚さが0.5nm~1nmのTi膜及び厚さが30nm~50nmのCr膜を蒸着法により堆積する。続いて、2層レジストの除去によりリフトオフする。このようにして、ソース電極504及びドレイン電極505が形成される。 Subsequently, as shown in FIG. 27, the source electrode 504 is formed on one end of the AGNR503 and the drain electrode 505 is formed on the other end by electron beam lithography, vapor deposition, and lift-off. The source electrode 504 and the drain electrode 505 are two-layer electrodes including, for example, a Ti film and a Cr film on the Ti film. In the formation of the source electrode 504 and the drain electrode 505, a two-layer resist is spin-coated on the AGNR503, the metal pattern 502 and the insulating substrate 501, and an electrode pattern is formed on the two-layer resist by electron beam lithography. For example, a diluted resist of ZEP 520A is used for the upper layer of the two-layer resist, and PMGI SFG2S (manufactured by KAYAKU Advanced Materials, Inc.) is used for the lower layer which is the sacrificial layer. After forming the electrode pattern, a Ti film having a thickness of 0.5 nm to 1 nm and a Cr film having a thickness of 30 nm to 50 nm are deposited by a vapor deposition method. Subsequently, it is lifted off by removing the two-layer resist. In this way, the source electrode 504 and the drain electrode 505 are formed.

次いで、図28及び図30に示すように、電子線リソグラフィ、蒸着法及びリフトオフにより、AGNR503上にゲート電極506及びゲート絶縁層507のゲートスタック構造を形成する。このゲートスタック構造は、ソース電極504との間及びドレイン電極505との間に開口部508が形成されるように形成する。例えば、ゲート長は8nm~12nmとし、ゲート絶縁層507はY層であり、ゲート電極506はTi膜及びその上のCr膜を含む2層電極である。ゲート電極506及びゲート絶縁層507の形成では、ソース電極504及びドレイン電極505の形成と同様に、2層レジストをスピンコートし、電子線リソグラフィにより2層レジストにゲートパターンを形成する。例えば、2層レジストの上層にはZEP 520Aの希釈レジストを用い、犠牲層である下層にはPMGI SFG2Sを用いる。ゲートパターンの形成後、厚さが5nm~10nmのY層並びに厚さが0.5nm~1nmのTi膜及び厚さが30nm~50nmのCr膜を蒸着法により堆積する。続いて、2層レジストの除去によりリフトオフする。このようにして、ゲート電極506及びゲート絶縁層507のゲートスタック構造が形成される。Y層は、真空槽内にOガスを導入しながらY金属を蒸着することで形成することができる。ゲート絶縁層507の材料に、SiO、HfO、ZrO、La又はTiOを用いてもよい。これらの材料を用いる場合も、真空槽内にOガスを導入しながら金属を蒸着することでゲート絶縁層507を形成することができる。 Then, as shown in FIGS. 28 and 30, a gate stack structure of the gate electrode 506 and the gate insulating layer 507 is formed on the AGNR503 by electron beam lithography, a vapor deposition method, and a lift-off. This gate stack structure is formed so that an opening 508 is formed between the source electrode 504 and the drain electrode 505. For example, the gate length is 8 nm to 12 nm, the gate insulating layer 507 is a Y2O3 layer, and the gate electrode 506 is a two -layer electrode including a Ti film and a Cr film on the Ti film. In the formation of the gate electrode 506 and the gate insulating layer 507, the two-layer resist is spin-coated and a gate pattern is formed on the two-layer resist by electron beam lithography in the same manner as in the formation of the source electrode 504 and the drain electrode 505. For example, a diluted resist of ZEP 520A is used as the upper layer of the two-layer resist, and PMGI SFG2S is used as the lower layer which is the sacrificial layer. After forming the gate pattern , a Y2O3 layer having a thickness of 5 nm to 10 nm, a Ti film having a thickness of 0.5 nm to 1 nm, and a Cr film having a thickness of 30 nm to 50 nm are deposited by a vapor deposition method. Subsequently, it is lifted off by removing the two-layer resist. In this way, the gate stack structure of the gate electrode 506 and the gate insulating layer 507 is formed. The Y2O3 layer can be formed by depositing Y metal while introducing O2 gas into the vacuum chamber. SiO 2 , HfO 2 , ZrO 2 , La 2 O 3 or TiO 2 may be used as the material of the gate insulating layer 507. Even when these materials are used, the gate insulating layer 507 can be formed by depositing a metal while introducing O 2 gas into the vacuum chamber.

その後、図29及び図31に示すように、ウェットエッチングにより、金属パターン502のうち、ソース電極504又はドレイン電極505により覆われていない部分を除去し、空隙509を形成する。この結果、金属パターン502から金属層502S及び502Dが形成される。金属パターンにAuが用いられている場合、エッチャントとしてKI水溶液を用いることができる。ソース電極504、ドレイン電極505及びゲート電極506はTi膜及びCr膜を含む2層電極であるため、KI水溶液に対して優れたエッチング耐性を有する。金属パターン502のウェットエッチング後には、純水による洗浄及びイソプロピルアルコールによるリンス処理を順次行う。続いて、乾燥処理として、例えばCOガスを用いた超臨界乾燥処理を行う。COガスを用いた超臨界乾燥処理は、溶液の表面張力又は毛管力によるAGNR503の切断の防止に好適である。 Then, as shown in FIGS. 29 and 31, the portion of the metal pattern 502 that is not covered by the source electrode 504 or the drain electrode 505 is removed by wet etching to form a void 509. As a result, the metal layers 502S and 502D are formed from the metal pattern 502. When Au is used in the metal pattern, an aqueous KI solution can be used as the etchant. Since the source electrode 504, the drain electrode 505, and the gate electrode 506 are two-layer electrodes including a Ti film and a Cr film, they have excellent etching resistance to an aqueous KI solution. After the wet etching of the metal pattern 502, washing with pure water and rinsing with isopropyl alcohol are sequentially performed. Subsequently, as a drying treatment, for example, a supercritical drying treatment using CO 2 gas is performed. The supercritical drying treatment using CO 2 gas is suitable for preventing the AGNR503 from being cut by the surface tension or capillary force of the solution.

このようにして、AGNR503をチャネルとするFETを備えた電子装置500を製造することができる。電子装置500は、グラフェン固有の高移動度キャリアにより動作することができる。 In this way, the electronic device 500 including the FET having the AGNR503 as a channel can be manufactured. The electronic device 500 can be operated by the graphene-specific high mobility carrier.

(第6実施形態)
次に、第6実施形態について説明する。第6実施形態は、AGNRのネットワーク膜をチャネルに用いたバックゲート型の薄膜トランジスタ(thin film transistor:TFT)を含む電子装置に関する。図32は、第6実施形態に係る電子装置を示す断面図である。
(Sixth Embodiment)
Next, the sixth embodiment will be described. A sixth embodiment relates to an electronic device including a back gate type thin film transistor (TFT) using an AGNR network film as a channel. FIG. 32 is a cross-sectional view showing the electronic device according to the sixth embodiment.

図32に示すように、第6実施形態に係る電子装置600は、絶縁基板601と、絶縁基板601上に形成されたゲート電極606と、絶縁基板601及びゲート電極606上に形成され、ゲート電極606を覆う絶縁層607と、を有する。電子装置600は、ゲート電極606の上方で絶縁層607上に設けられたAGNRのネットワーク膜603を有する。ネットワーク膜603は、第1実施形態に係るAGNR150が複数互いに接触して構成された膜である。ネットワーク膜603の両端に接するようにソース電極604及びドレイン電極605が絶縁層607上に形成されている。ソース電極604とドレイン電極605との間でネットワーク膜603上に保護層621が形成されている。絶縁層607はゲート絶縁層として機能する。 As shown in FIG. 32, the electronic device 600 according to the sixth embodiment is formed on an insulating substrate 601, a gate electrode 606 formed on the insulating substrate 601 and an insulating substrate 601 and a gate electrode 606, and is a gate electrode. It has an insulating layer 607 that covers the 606. The electronic device 600 has an AGNR network film 603 provided on the insulating layer 607 above the gate electrode 606. The network film 603 is a film formed by contacting a plurality of AGNR150s according to the first embodiment with each other. The source electrode 604 and the drain electrode 605 are formed on the insulating layer 607 so as to be in contact with both ends of the network film 603. A protective layer 621 is formed on the network film 603 between the source electrode 604 and the drain electrode 605. The insulating layer 607 functions as a gate insulating layer.

絶縁基板601としては、例えば熱酸化膜が形成されたSi基板を用いることができる。ネットワーク膜603として、例えば複数のAGNR150を含むネットワーク膜が形成されている。保護層621として、例えばネットワーク膜603を構成するCと化学結合しにくい膜を用いることができ、具体的にはCr、SiO、Al、Sc、MnO、ZnO、Y、ZrO、MoO及びRuOの層を保護層621に用いることができる。この例では、保護層621としてCr層が形成されている。 As the insulating substrate 601, for example, a Si substrate on which a thermal oxide film is formed can be used. As the network film 603, for example, a network film containing a plurality of AGNR150 is formed. As the protective layer 621, for example, a film that does not easily chemically bond with C constituting the network film 603 can be used. Specifically, Cr 2O 3 , SiO 2 , Al 2 O 3 , Sc 2 O 3 , MnO 2 , and so on. Layers of ZnO, Y2O3 , ZrO2 , MoO3 and RuO2 can be used for the protective layer 621. In this example, the Cr2O3 layer is formed as the protective layer 621.

ソース電極604、ドレイン電極605及びゲート電極606は、例えば、厚さが0.5nm~2nmのTi膜と、その上の厚さが20nm~50nmのCr膜とを有し、ソース電極604とドレイン電極605との間の距離は、例えば10nm~50nmである。絶縁層607の材料として、HfO、Al、Si、HfSiO、HfAlON、Y、SrTiO、PbZrTiO、BaTiO等を用いることができる。この例では、絶縁層607として、厚さが5nm~10nmのHfO膜が形成されている。 The source electrode 604, the drain electrode 605 and the gate electrode 606 have, for example, a Ti film having a thickness of 0.5 nm to 2 nm and a Cr film having a thickness of 20 nm to 50 nm on the Ti film, and the source electrode 604 and the drain. The distance from the electrode 605 is, for example, 10 nm to 50 nm. As the material of the insulating layer 607, HfO 2 , Al 2 O 3 , Si 3 N 4 , HfSiO, HfAlON, Y 2 O 3 , SrTiO 3 , PbZrTIO 3 , Bathio 3 , and the like can be used. In this example, an HfO 2 film having a thickness of 5 nm to 10 nm is formed as the insulating layer 607.

次に、第6実施形態に係る電子装置600の製造方法について説明する。図33~図40は、第6実施形態に係る電子装置の製造方法を示す断面図である。 Next, a method of manufacturing the electronic device 600 according to the sixth embodiment will be described. 33 to 40 are sectional views showing a method of manufacturing an electronic device according to a sixth embodiment.

まず、図33に示すように、絶縁基板651上に金属層652を形成する。絶縁基板651及び金属層652が成長基板650に含まれる。次いで、金属層652上にAGNRのネットワーク膜603を形成する。絶縁基板651としては、例えばマイカ基板、表面がc面のサファイア(α-Al)結晶基板、表面のミラー指数が(111)のMgO結晶基板等を用いることができる。金属層652としては、結晶構造がfccで、表面のミラー指数が(111)のAu、Ag、Cu、Ni、Rh、Pd、Ir又はPtの膜を用いることができる。この例では、絶縁基板651としてマイカ基板を用い、金属層652としてAu層を用いる。 First, as shown in FIG. 33, a metal layer 652 is formed on the insulating substrate 651. The insulating substrate 651 and the metal layer 652 are included in the growth substrate 650. Next, the AGNR network film 603 is formed on the metal layer 652. As the insulating substrate 651, for example, a mica substrate, a sapphire (α-Al 2 O 3 ) crystal substrate having a c-plane surface, an MgO crystal substrate having a Miller index of (111) on the surface, or the like can be used. As the metal layer 652, a film of Au, Ag, Cu, Ni, Rh, Pd, Ir or Pt having a crystal structure of fcc and a surface Miller index of (111) can be used. In this example, a mica substrate is used as the insulating substrate 651, and an Au layer is used as the metal layer 652.

ネットワーク膜603は、第1実施形態に係るGNR前駆体100を用いて形成することができる。ネットワーク膜603の形成の前処理として、金属パターン502の表面清浄処理と同様に、金属層652の表面清浄処理を行う。ネットワーク膜603は、表面清浄処理を施した金属層652を大気に曝すことなく、超高真空の真空槽内にてin situで形成する。ネットワーク膜603の形成では、GNR前駆体100の蒸着膜厚を2ML~4MLとする。GNR前駆体100の蒸着膜厚を2ML~4MLとすることで、個々のAGNRが互いに接触したネットワーク膜603を形成することができる。 The network film 603 can be formed by using the GNR precursor 100 according to the first embodiment. As a pretreatment for forming the network film 603, the surface cleaning treatment of the metal layer 652 is performed in the same manner as the surface cleaning treatment of the metal pattern 502. The network film 603 is formed in situ in an ultra-high vacuum vacuum chamber without exposing the surface-cleaned metal layer 652 to the atmosphere. In the formation of the network film 603, the vapor deposition film thickness of the GNR precursor 100 is 2ML to 4ML. By setting the vapor deposition film thickness of the GNR precursor 100 to 2 ML to 4 ML, it is possible to form a network film 603 in which the individual AGNRs are in contact with each other.

その後、ネットワーク膜603上に保護層621を形成する。保護層621は、後のチャネルの転写の際に用いる有機系の支持層の残留物からチャネルを保護する。保護層621としては、ネットワーク膜603を構成するCと化学結合しにくい層を用いることができ、特にCr層が好ましい。SiO、Al、Sc、MnO、ZnO、Y、ZrO、MoO及びRuOも保護層621に用いることができる。Cr層を用いる場合、例えば、ネットワーク膜603の形成後、真空槽から暴露することなく、in situでネットワーク膜603上にCr金属層を蒸着法で形成し、大気中に曝すことで自然酸化によりCr金属層をCr層に変化させることができる。例えば、Cr金属層の蒸着速度は0.01nm/秒~0.05nm/秒とし、厚さは1nm~3nmとする。SiO、Al、Sc、MnO、ZnO、Y、ZrO、MoO及びRuOの層も同様の方法で形成することができる。なお、Ti及びNiはネットワーク膜603を構成するCと化学結合してTiCやNiCを生成しやすい。 After that, the protective layer 621 is formed on the network film 603. The protective layer 621 protects the channel from the residue of the organic support layer used in the subsequent transfer of the channel. As the protective layer 621, a layer that does not easily chemically bond with C constituting the network film 603 can be used, and the Cr 2O 3 layer is particularly preferable. SiO 2 , Al 2 O 3 , Sc 2 O 3 , MnO 2 , ZnO, Y 2 O 3 , ZrO 2 , MoO 3 and RuO 2 can also be used for the protective layer 621. When the Cr 2 O 3 layer is used, for example, after the network film 603 is formed, a Cr metal layer is formed on the network film 603 in situ by a vapor deposition method without exposure from a vacuum chamber, and the film is exposed to the atmosphere. The Cr metal layer can be transformed into a Cr 2 O 3 layer by natural oxidation. For example, the vapor deposition rate of the Cr metal layer is 0.01 nm / sec to 0.05 nm / sec, and the thickness is 1 nm to 3 nm. Layers of SiO 2 , Al 2 O 3 , Sc 2 O 3 , MnO 2 , ZnO, Y 2 O 3 , ZrO 2 , MoO 3 and RuO 2 can also be formed in the same manner. It should be noted that Ti and Ni are likely to chemically bond with C constituting the network film 603 to form TiC x and NiC x .

続いて、図34に示すように、保護層621上に有機系の支持層622を形成する。支持層622としては、例えば、アクリル樹脂のポリメチルメタクリレート(polymethyl methacrylate:PMMA)の層を用いる。PMMAの層は、例えばスピンコート法により100nm~500nmの厚さで形成することができる。支持層622として、エポキシ樹脂、熱剥離テープ、粘着テープ、各種のフォトレジスト、電子線レジストを用いてもよい。これらの積層膜を用いてもよい。 Subsequently, as shown in FIG. 34, an organic support layer 622 is formed on the protective layer 621. As the support layer 622, for example, a layer of polymethylcrylic (PMMA) of acrylic resin is used. The layer of PMMA can be formed to a thickness of 100 nm to 500 nm by, for example, a spin coating method. As the support layer 622, an epoxy resin, a heat release tape, an adhesive tape, various photoresists, and an electron beam resist may be used. These laminated films may be used.

次いで、図35に示すように、金属層652を除去することで、絶縁基板651から支持層622、保護層621及びネットワーク膜603の積層体を分離する。金属層652としてAu層が用いられている場合、KI水溶液を用いたウェットエッチングにより金属層652を除去することができる。その後、保護層621及びネットワーク膜603の積層体の純水洗浄及び乾燥処理を行う。 Next, as shown in FIG. 35, by removing the metal layer 652, the laminate of the support layer 622, the protective layer 621, and the network film 603 is separated from the insulating substrate 651. When the Au layer is used as the metal layer 652, the metal layer 652 can be removed by wet etching using an KI aqueous solution. After that, the laminated body of the protective layer 621 and the network film 603 is washed with pure water and dried.

その一方で、図36に示すように、別途、絶縁基板601上にゲート電極606を形成し、絶縁基板601及びゲート電極606上に絶縁層607を形成する。絶縁基板601としては、例えば熱酸化膜が形成されたSi基板を用いることができる。ゲート電極606としては、第5実施形態におけるゲート電極506と同様の方法で、Ti膜及びCr膜の2層電極を形成することができる。絶縁層607としては、原子層堆積(atomic layer deposition:ALD)法によりHfO層を形成できる。例えば、絶縁層607の厚さは5nm~10nmとする。 On the other hand, as shown in FIG. 36, the gate electrode 606 is separately formed on the insulating substrate 601 and the insulating layer 607 is formed on the insulating substrate 601 and the gate electrode 606. As the insulating substrate 601, for example, a Si substrate on which a thermal oxide film is formed can be used. As the gate electrode 606, a two-layer electrode of a Ti film and a Cr film can be formed by the same method as the gate electrode 506 in the fifth embodiment. As the insulating layer 607, two HfO layers can be formed by an atomic layer deposition (ALD) method. For example, the thickness of the insulating layer 607 is 5 nm to 10 nm.

そして、ネットワーク膜603が絶縁層607と接触するようにして、保護層621及びネットワーク膜603の積層体を、絶縁基板601、ゲート電極606及び絶縁層607の積層体に重ね合わせる。このようにして、ネットワーク膜603を絶縁層607上に転写する。 Then, the laminated body of the protective layer 621 and the network film 603 is superposed on the laminated body of the insulating substrate 601 and the gate electrode 606 and the insulating layer 607 so that the network film 603 is in contact with the insulating layer 607. In this way, the network film 603 is transferred onto the insulating layer 607.

次いで、図37に示すように、支持層622を除去する。支持層622としてPMMAの層を用いている場合、約70℃のアセトンに浸漬することで支持層622を除去することができる。支持層622の除去後、例えばイソプロピルアルコールを用いたリンス処理を行う。一般的に、グラフェン上のPMMAを完全に取り除くことは難しく、その残留物がグラフェンの特性を劣化させることがある。本実施形態では、ネットワーク膜603とPMMAの支持層622との間に保護層621が形成されているため、PMMAの残留物によるネットワーク膜603の特性の劣化を抑制することができる。 Then, as shown in FIG. 37, the support layer 622 is removed. When a PMMA layer is used as the support layer 622, the support layer 622 can be removed by immersing it in acetone at about 70 ° C. After removing the support layer 622, a rinsing treatment with, for example, isopropyl alcohol is performed. In general, it is difficult to completely remove PMMA on graphene, and its residue can degrade the properties of graphene. In the present embodiment, since the protective layer 621 is formed between the network film 603 and the support layer 622 of the PMMA, deterioration of the characteristics of the network film 603 due to the residue of PMMA can be suppressed.

その後、図38に示すように、保護層621に、ネットワーク膜603の一部を露出するソース用の開口部624と、ネットワーク膜603の他の一部を露出するドレイン用の開口部625とを形成する。開口部624及び625の形成では、例えば、電子線レジストを形成し、電子線リソグラフィにより電子線レジストに開口パターンを形成し、硝酸第二セリウムアンモニウムを用いたウェットエッチングを行う。 Then, as shown in FIG. 38, the protective layer 621 is provided with an opening 624 for a source that exposes a part of the network film 603 and an opening 625 for a drain that exposes another part of the network film 603. Form. In the formation of the openings 624 and 625, for example, an electron beam resist is formed, an opening pattern is formed in the electron beam resist by electron beam lithography, and wet etching is performed using secondary cerium ammonium nitrate.

続いて、図39に示すように、開口部624を通じてネットワーク膜603に接するソース電極604と、開口部625を通じてネットワーク膜603に接するドレイン電極605とを絶縁層607上に形成する。ソース電極604及びドレイン電極605としては、第5実施形態におけるソース電極504及びドレイン電極505と同様の方法で、Ti膜及びCr膜の2層電極を形成することができる。 Subsequently, as shown in FIG. 39, a source electrode 604 in contact with the network film 603 through the opening 624 and a drain electrode 605 in contact with the network film 603 through the opening 625 are formed on the insulating layer 607. As the source electrode 604 and the drain electrode 605, a two-layer electrode of a Ti film and a Cr film can be formed by the same method as the source electrode 504 and the drain electrode 505 in the fifth embodiment.

このようにして、ネットワーク膜603をチャネルとするTFTを備えた電子装置600を製造することができる。電子装置600は、グラフェン固有の高移動度キャリアにより動作することができる。 In this way, the electronic device 600 including the TFT having the network film 603 as a channel can be manufactured. The electronic device 600 can be operated by the graphene-specific high mobility carrier.

(第7実施形態)
次に、第7実施形態について説明する。第7実施形態は、AGNRのネットワーク膜をチャネルに用いたトップゲート型のTFTを含む電子装置に関する。図40は、第7実施形態に係る電子装置を示す断面図である。
(7th Embodiment)
Next, the seventh embodiment will be described. A seventh embodiment relates to an electronic device including a top gate type TFT using an AGNR network film as a channel. FIG. 40 is a cross-sectional view showing the electronic device according to the seventh embodiment.

図40に示すように、第7実施形態に係る電子装置700は、絶縁基板601と、絶縁基板601上に設けられたネットワーク膜603と、を有する。ネットワーク膜603は、第1実施形態に係るAGNR150が複数互いに接触して構成された膜である。ネットワーク膜603の両端に接するようにソース電極704及びドレイン電極705が絶縁基板601上に形成されている。ソース電極704とドレイン電極705との間でネットワーク膜603上に保護層621が形成されている。ソース電極704、保護層621及びドレイン電極705上に広がるように絶縁層707が形成され、絶縁層707上にゲート電極706が形成されている。絶縁層707はゲート絶縁膜として機能する。 As shown in FIG. 40, the electronic device 700 according to the seventh embodiment has an insulating substrate 601 and a network film 603 provided on the insulating substrate 601. The network film 603 is a film formed by contacting a plurality of AGNR150s according to the first embodiment with each other. The source electrode 704 and the drain electrode 705 are formed on the insulating substrate 601 so as to be in contact with both ends of the network film 603. A protective layer 621 is formed on the network film 603 between the source electrode 704 and the drain electrode 705. The insulating layer 707 is formed so as to spread on the source electrode 704, the protective layer 621, and the drain electrode 705, and the gate electrode 706 is formed on the insulating layer 707. The insulating layer 707 functions as a gate insulating film.

ソース電極704、ドレイン電極705及びゲート電極706は、例えば、厚さが0.5nm~2nmのTi膜と、その上の厚さが20nm~50nmのCr膜とを有し、ソース電極704とドレイン電極705との間の距離は、例えば10nm~50nmである。絶縁層707の材料として、HfO膜、Al、Si、HfSiO、HfAlON、Y、SrTiO、PbZrTiO、BaTiO等を用いることができる。この例では、絶縁層707として、厚さが5nm~10nmのHfO膜が形成されている。 The source electrode 704, the drain electrode 705, and the gate electrode 706 have, for example, a Ti film having a thickness of 0.5 nm to 2 nm and a Cr film having a thickness of 20 nm to 50 nm on the Ti film, and the source electrode 704 and the drain. The distance from the electrode 705 is, for example, 10 nm to 50 nm. As the material of the insulating layer 707, HfO 2 film, Al 2 O 3 , Si 3 N 4 , HfSiO, HfAlON, Y 2 O 3 , SrTiO 3 , PbZrTIO 3 , Bathio 3 and the like can be used. In this example, an HfO 2 film having a thickness of 5 nm to 10 nm is formed as the insulating layer 707.

次に、第7実施形態に係る電子装置700の製造方法について説明する。図41~図45は、第7実施形態に係る電子装置の製造方法を示す断面図である。 Next, a method of manufacturing the electronic device 700 according to the seventh embodiment will be described. 41 to 45 are sectional views showing a method of manufacturing an electronic device according to a seventh embodiment.

まず、図41に示すように、第6実施形態と同様にして、支持層622、保護層621及びネットワーク膜603の積層体を形成する。次いで、絶縁基板601に、保護層621及びネットワーク膜603の積層体を、ネットワーク膜603が絶縁基板601と接触するようにして重ね合わせる。このようにして、ネットワーク膜603を絶縁基板601上に転写する。 First, as shown in FIG. 41, a laminate of the support layer 622, the protective layer 621, and the network film 603 is formed in the same manner as in the sixth embodiment. Next, the laminated body of the protective layer 621 and the network film 603 is superposed on the insulating substrate 601 so that the network film 603 is in contact with the insulating substrate 601. In this way, the network film 603 is transferred onto the insulating substrate 601.

その後、図42に示すように、支持層622を除去する。 Then, as shown in FIG. 42, the support layer 622 is removed.

続いて、図43に示すように、保護層621に、ネットワーク膜603の一部を露出するソース用の開口部624と、ネットワーク膜603の他の一部を露出するドレイン用の開口部625とを形成する。 Subsequently, as shown in FIG. 43, the protective layer 621 has an opening 624 for a source that exposes a part of the network film 603 and an opening 625 for a drain that exposes another part of the network film 603. To form.

次いで、図44に示すように、開口部624を通じてネットワーク膜603に接するソース電極704と、開口部625を通じてネットワーク膜603に接するドレイン電極705とを絶縁基板601上に形成する。ソース電極704及びドレイン電極705としては、第6実施形態におけるソース電極604及びドレイン電極605と同様の方法で、Ti膜及びCr膜の2層電極を形成することができる。 Next, as shown in FIG. 44, a source electrode 704 in contact with the network film 603 through the opening 624 and a drain electrode 705 in contact with the network film 603 through the opening 625 are formed on the insulating substrate 601. As the source electrode 704 and the drain electrode 705, a two-layer electrode of a Ti film and a Cr film can be formed by the same method as the source electrode 604 and the drain electrode 605 in the sixth embodiment.

その後、図45に示すように、ソース電極704、保護層621及びドレイン電極705上に広がる絶縁層707及びゲート電極706を形成する。絶縁層707及びゲート電極706は、次のようにして形成することができる。 After that, as shown in FIG. 45, an insulating layer 707 and a gate electrode 706 extending on the source electrode 704, the protective layer 621 and the drain electrode 705 are formed. The insulating layer 707 and the gate electrode 706 can be formed as follows.

まず、絶縁層707及びゲート電極706を形成する領域に開口部を有するレジストパターンを形成する。レジストパターンとしては、例えば2層構造のレジストパターンを用いる。次いで、電子線リソグラフィにより、絶縁層707及びゲート電極706を形成する領域に開口部を形成する。その後、例えば、1×10-5Pa以下の高真空下で、Oガスを導入しながらHf金属を蒸着することでHfO層を開口部の内側及びレジストパターンの上に形成し、HfO層上にTi膜及びCr膜を形成する。その後、レジストパターンをその上のHfO層、Ti膜及びCr膜と共に除去する。つまり、リフトオフを行う。このようにして絶縁層707及びゲート電極706を形成することができる。 First, a resist pattern having an opening is formed in a region forming the insulating layer 707 and the gate electrode 706. As the resist pattern, for example, a resist pattern having a two-layer structure is used. Next, an opening is formed in the region forming the insulating layer 707 and the gate electrode 706 by electron beam lithography. Then, for example, under a high vacuum of 1 × 10 -5 Pa or less, Hf metal is vapor-deposited while introducing O 2 gas to form an HfO 2 layer inside the opening and on the resist pattern, and HfO 2 is formed. A Ti film and a Cr film are formed on the layer. Then, the resist pattern is removed together with the HfO 2 layer, the Ti film and the Cr film on the resist pattern. That is, lift off is performed. In this way, the insulating layer 707 and the gate electrode 706 can be formed.

このようにして、ネットワーク膜603をチャネルとするTFTを備えた電子装置700を製造することができる。 In this way, the electronic device 700 provided with the TFT having the network film 603 as a channel can be manufactured.

このようにして、ネットワーク膜603をチャネルとするTFTを備えた電子装置700を製造することができる。電子装置700は、グラフェン固有の高移動度キャリアにより動作することができる。 In this way, the electronic device 700 provided with the TFT having the network film 603 as a channel can be manufactured. The electronic device 700 can be operated by the graphene-specific high mobility carrier.

絶縁基板601の材料は限定されない。絶縁基板601として、透明なガラス基板又は可撓性のあるポリエチレンテレフタレート(PET)基板等を用いてもよい。このようなガラス基板及びPET基板はディスプレイへの応用に好適である。 The material of the insulating substrate 601 is not limited. As the insulating substrate 601, a transparent glass substrate, a flexible polyethylene terephthalate (PET) substrate, or the like may be used. Such a glass substrate and a PET substrate are suitable for application to a display.

また、ソース電極、ドレイン電極及びゲート電極の材料は限定されない。例えば、Ti膜と、その上のAu膜、Pt膜又はPd膜との積層体をソース電極、ドレイン電極及びゲート電極に用いてもよい。また、透明電極材料をソース電極、ドレイン電極及びゲート電極に用いてもよい。透明電極材料としては、酸化インジウムスズ(ITO)、In、SnO、AlZnO及びGaZnOが挙げられる。 Further, the materials of the source electrode, the drain electrode and the gate electrode are not limited. For example, a laminate of a Ti film and an Au film, Pt film or Pd film on the Ti film may be used as a source electrode, a drain electrode and a gate electrode. Further, the transparent electrode material may be used for the source electrode, the drain electrode and the gate electrode. Examples of the transparent electrode material include indium tin oxide ( ITO), In2O3, SnO2, AlZNO and GaZnO .

以上、好ましい実施の形態等について詳説したが、上述した実施の形態等に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態等に種々の変形及び置換を加えることができる。 Although the preferred embodiments and the like have been described in detail above, they are not limited to the above-described embodiments and the like, and various embodiments and the like described above can be applied without departing from the scope of the claims. Modifications and substitutions can be added.

以下、本開示の諸態様を付記としてまとめて記載する。 Hereinafter, various aspects of the present disclosure will be described together as an appendix.

(付記1)
上記の化学式(1)で表される構造式を有し、
上記の化学式(1)において、
は、1、2又は4であり、
は、n-1であり、
X及びYは、F、Cl、Br又はIであり、
六員環を構成する炭素原子からのX、Yの脱離温度をそれぞれT、Tとしたとき、T<Tの関係が成り立つことを特徴とするグラフェンナノリボン前駆体。
(付記2)
下記の化学式(2)に表される構造式の繰り返し単位からなり、
下記の化学式(2)において、
は、1以上6以下の整数であり、
は、n-1であることを特徴とするグラフェンナノリボン。

Figure 2022100723000003

(付記3)
第1リボン幅を備えた第1セグメントと、
前記第1リボン幅よりも小さい第2リボン幅を備えた第2セグメントと、
を含み、
前記第1セグメントと前記第2セグメントとがリボン長さ方向に周期的にヘテロ接合していることを特徴とする付記2に記載のグラフェンナノリボン。
(付記4)
前記第1セグメントと前記第2セグメントとの間でトポロジカル不変量Zが相違することを特徴とする付記3に記載のグラフェンナノリボン。
(付記5)
付記2乃至4のいずれか1項に記載のグラフェンナノリボンを電界効果トランジスタのチャネルに有することを特徴とする電子装置。
(付記6)
金属基材上で、付記1に記載のグラフェンナノリボン前駆体を第1温度に加熱して、Xの脱離及びC-C結合反応を誘起し、前記金属基材上にポリマーを得る工程と、
前記ポリマーを前記第1温度よりも高い第2温度に加熱して、Yの脱離及びC-C結合反応を誘起する工程と、
を有することを特徴とするグラフェンナノリボンの製造方法。
(付記7)
前記第1温度は、T以上T未満の温度であり、
前記第2温度は、T以上の温度であることを特徴とする付記6に記載のグラフェンナノリボンの製造方法。
(付記8)
付記6又は7に記載の方法により、前記金属基材上にグラフェンナノリボンを製造する工程と、
前記グラフェンナノリボンをチャネルに有するトランジスタを形成する工程と、
を有することを特徴とする電子装置の製造方法。
(付記9)
前記トランジスタを形成する工程は、
前記グラフェンナノリボンに接するソース電極及びドレイン電極を形成する工程と、
前記金属基材のうち前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の部分を除去する工程と、
前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の部分で、前記グラフェンナノリボン上にゲート絶縁層及びゲート電極を形成する工程と、
を有することを特徴とする付記8に記載の電子装置の製造方法。
(付記10)
前記トランジスタを形成する工程は、
絶縁基板の上方にゲート電極及びゲート絶縁層を形成する工程と、
前記ゲート絶縁層上に前記グラフェンナノリボンを転写する工程と、
前記絶縁基板の上方に、前記グラフェンナノリボンに接するソース電極及びドレイン電極を形成する工程と、
を有することを特徴とする付記8に記載の電子装置の製造方法。
(付記11)
前記トランジスタを形成する工程は、
絶縁基板上に前記グラフェンナノリボンを転写する工程と、
前記絶縁基板の上方に、前記グラフェンナノリボンに接するソース電極及びドレイン電極を形成する工程と、
前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の部分で、前記グラフェンナノリボンの上方にゲート絶縁層及びゲート電極を形成する工程と、
を有することを特徴とする付記8に記載の電子装置の製造方法。 (Appendix 1)
It has a structural formula represented by the above chemical formula (1) and has a structural formula.
In the above chemical formula (1),
n 1 is 1, 2 or 4
n 2 is n 1-1 ,
X and Y are F, Cl, Br or I,
A graphene nanoribbon precursor characterized in that the relationship of TX < TY is established when the desorption temperatures of X and Y from the carbon atoms constituting the six-membered ring are TX and TY, respectively.
(Appendix 2)
It consists of repeating units of the structural formula represented by the following chemical formula (2).
In the following chemical formula (2)
n 1 is an integer of 1 or more and 6 or less.
n 2 is a graphene nanoribbon characterized by being n 1-1 .
Figure 2022100723000003

(Appendix 3)
The first segment with the first ribbon width and
A second segment having a second ribbon width smaller than the first ribbon width,
Including
The graphene nanoribbon according to Appendix 2, wherein the first segment and the second segment are periodically heterozygous in the ribbon length direction.
(Appendix 4)
The graphene nanoribbon according to Appendix 3, wherein the topological invariant Z 2 is different between the first segment and the second segment.
(Appendix 5)
An electronic device comprising the graphene nanoribbon according to any one of Supplementary Provisions 2 to 4 in the channel of a field effect transistor.
(Appendix 6)
A step of heating the graphene nanoribbon precursor according to Appendix 1 to a first temperature on a metal substrate to induce elimination of X and a CC binding reaction to obtain a polymer on the metal substrate.
The step of heating the polymer to a second temperature higher than the first temperature to induce the elimination of Y and the CC bond reaction.
A method for producing graphene nanoribbons, which comprises.
(Appendix 7)
The first temperature is a temperature of TX or more and less than TY .
The method for producing graphene nanoribbons according to Appendix 6, wherein the second temperature is TY or higher.
(Appendix 8)
A step of manufacturing graphene nanoribbons on the metal substrate by the method described in Appendix 6 or 7.
The step of forming a transistor having the graphene nanoribbon in the channel and
A method for manufacturing an electronic device, which comprises.
(Appendix 9)
The step of forming the transistor is
A step of forming a source electrode and a drain electrode in contact with the graphene nanoribbon, and
A step of removing a portion of the metal substrate between the source electrode and the drain electrode, and
A step of forming a gate insulating layer and a gate electrode on the graphene nanoribbon in a portion between the source electrode and the drain electrode.
The method for manufacturing an electronic device according to Appendix 8, wherein the device is characterized by the above.
(Appendix 10)
The step of forming the transistor is
The process of forming the gate electrode and the gate insulating layer above the insulating substrate,
The step of transferring the graphene nanoribbon onto the gate insulating layer and
A step of forming a source electrode and a drain electrode in contact with the graphene nanoribbon above the insulating substrate, and
The method for manufacturing an electronic device according to Appendix 8, wherein the device is characterized by the above.
(Appendix 11)
The step of forming the transistor is
The process of transferring the graphene nanoribbon onto the insulating substrate,
A step of forming a source electrode and a drain electrode in contact with the graphene nanoribbon above the insulating substrate, and
A step of forming a gate insulating layer and a gate electrode above the graphene nanoribbon in a portion between the source electrode and the drain electrode.
The method for manufacturing an electronic device according to Appendix 8, wherein the device is characterized by the above.

100、200、300、400:GNR前駆体
140、240、340、440:ポリマー
150、250、350、450、503:AGNR
151、251、351、451:第1セグメント
152、252、352、452:第2セグメント
500、600、700:電子装置
504、604、704:ソース電極
505、605、705:ドレイン電極
506、606、706:ゲート電極
603:ネットワーク膜
100, 200, 300, 400: GNR precursor 140, 240, 340, 440: Polymer 150, 250, 350, 450, 503: AGNR
151, 251, 351 and 451: 1st segment 152, 252, 352, 452: 2nd segment 500, 600, 700: Electronic device 504, 604, 704: Source electrode 505, 605, 705: Drain electrode 506, 606, 706: Gate electrode 603: Network film

Claims (8)

下記の化学式(1)で表される構造式を有し、
下記の化学式(1)において、
は、1、2又は4であり、
は、n-1であり、
X及びYは、F、Cl、Br又はIであり、
六員環を構成する炭素原子からのX、Yの脱離温度をそれぞれT、Tとしたとき、T<Tの関係が成り立つことを特徴とするグラフェンナノリボン前駆体。
Figure 2022100723000004
It has a structural formula represented by the following chemical formula (1) and has a structural formula.
In the following chemical formula (1)
n 1 is 1, 2 or 4
n 2 is n 1-1 ,
X and Y are F, Cl, Br or I,
A graphene nanoribbon precursor characterized in that the relationship of TX < TY is established when the desorption temperatures of X and Y from the carbon atoms constituting the six-membered ring are TX and TY, respectively.
Figure 2022100723000004
下記の化学式(2)に表される構造式の繰り返し単位からなり、
下記の化学式(2)において、
は、1以上6以下の整数であり、
は、n-1であることを特徴とするグラフェンナノリボン。
Figure 2022100723000005
It consists of repeating units of the structural formula represented by the following chemical formula (2).
In the following chemical formula (2)
n 1 is an integer of 1 or more and 6 or less.
n 2 is a graphene nanoribbon characterized by being n 1-1 .
Figure 2022100723000005
第1リボン幅を備えた第1セグメントと、
前記第1リボン幅よりも小さい第2リボン幅を備えた第2セグメントと、
を含み、
前記第1セグメントと前記第2セグメントとがリボン長さ方向に周期的にヘテロ接合していることを特徴とする請求項2に記載のグラフェンナノリボン。
The first segment with the first ribbon width and
A second segment having a second ribbon width smaller than the first ribbon width,
Including
The graphene nanoribbon according to claim 2, wherein the first segment and the second segment are periodically heterozygous in the ribbon length direction.
前記第1セグメントと前記第2セグメントとの間でトポロジカル不変量Zが相違することを特徴とする請求項3に記載のグラフェンナノリボン。 The graphene nanoribbon according to claim 3, wherein the topological invariant Z 2 is different between the first segment and the second segment. 請求項2乃至4のいずれか1項に記載のグラフェンナノリボンを電界効果トランジスタのチャネルに有することを特徴とする電子装置。 An electronic device comprising the graphene nanoribbon according to any one of claims 2 to 4 in the channel of a field effect transistor. 金属基材上で、請求項1に記載のグラフェンナノリボン前駆体を第1温度に加熱して、Xの脱離及びC-C結合反応を誘起し、前記金属基材上にポリマーを得る工程と、
前記ポリマーを前記第1温度よりも高い第2温度に加熱して、Yの脱離及びC-C結合反応を誘起する工程と、
を有することを特徴とするグラフェンナノリボンの製造方法。
A step of heating the graphene nanoribbon precursor according to claim 1 to a first temperature on a metal substrate to induce elimination of X and a CC binding reaction to obtain a polymer on the metal substrate. ,
The step of heating the polymer to a second temperature higher than the first temperature to induce the elimination of Y and the CC bond reaction.
A method for producing graphene nanoribbons, which comprises.
前記第1温度は、T以上T未満の温度であり、
前記第2温度は、T以上の温度であることを特徴とする請求項6に記載のグラフェンナノリボンの製造方法。
The first temperature is a temperature of TX or more and less than TY .
The method for producing graphene nanoribbons according to claim 6, wherein the second temperature is TY or higher.
請求項6又は7に記載の方法により、前記金属基材上にグラフェンナノリボンを製造する工程と、
前記グラフェンナノリボンをチャネルに有するトランジスタを形成する工程と、
を有することを特徴とする電子装置の製造方法。
A step of manufacturing graphene nanoribbons on the metal substrate by the method according to claim 6 or 7.
The step of forming a transistor having the graphene nanoribbon in the channel and
A method for manufacturing an electronic device, which comprises.
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