JP2022121449A - Production method of compound and production method of graphene nanoribbon - Google Patents

Production method of compound and production method of graphene nanoribbon Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To stably synthesize a graphene nanoribbon having a predetermined length and width.
SOLUTION: A compound represented by general formula (1) is used as a precursor of a graphene nanoribbon. In general formula (1), s is an integer of 1-3, t is an integer of 0-4, and a group X, a group Y, and a group Z are groups in which a bond energy with a carbon atom of an aromatic ring gets larger in the order of a C-X bond, a C-Y bond, and a C-Z bond. By using this compound, a graphene nanoribbon, a joined body of graphene nanoribbons having a semiconductor property and a metal property with widths differing from each other, and a semiconductor device using them are obtained.
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Description

本発明は、化合物の製造方法及びグラフェンナノリボンの製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing a compound and a method for producing graphene nanoribbons.

ナノカーボン材料の1つとして、グラフェンナノリボンが知られている。半導体装置へのグラフェンナノリボンの適用を考え、その幅及びエッジ構造を制御し、バンドギャップを有する半導体性のグラフェンナノリボンを得る試みがなされている。グラフェンナノリボンのエッジ構造の1つとして、アームチェアエッジが知られている。また、グラフェンナノリボンを得る手法の1つとして、その幅に対応する分子構造を持った前駆体の化合物を重合、環化してグラフェンナノリボンを合成する、ボトムアップ手法(ボトムアップ合成)が知られている。 Graphene nanoribbons are known as one of nanocarbon materials. Considering the application of graphene nanoribbons to semiconductor devices, attempts have been made to obtain semiconducting graphene nanoribbons having a bandgap by controlling their width and edge structure. An armchair edge is known as one of the edge structures of graphene nanoribbons. In addition, as one method for obtaining graphene nanoribbons, a bottom-up method (bottom-up synthesis) is known, in which a precursor compound having a molecular structure corresponding to the width is polymerized and cyclized to synthesize graphene nanoribbons. there is

国際公開WO2013/061258号パンフレットInternational publication WO2013/061258 pamphlet

ネイチャー(Nature),2010年,第466巻,p.470-473Nature, 2010, Vol. 466, p. 470-473

グラフェンナノリボン合成の前駆体として知られるこれまでの化合物では、合成に伴い脱離する原子が、重合体の成長起点の炭素ラジカルを終端し、重合体の成長、即ちポリマー化を抑制してしまう場合がある。このようにポリマー化が抑制されてしまうと、十分な長さを有する所定の幅のグラフェンナノリボン、例えば、半導体装置に適用し得る長さ及び幅を持ったグラフェンナノリボンを、安定的に合成することが難しくなる。 In conventional compounds known as precursors for synthesizing graphene nanoribbons, the atoms released during synthesis terminate the carbon radicals at the starting point of polymer growth, inhibiting polymer growth, i.e., polymerization. There is Once the polymerization is inhibited in this way, it is possible to stably synthesize graphene nanoribbons of a given width with sufficient length, for example, graphene nanoribbons with a length and width that can be applied to semiconductor devices. becomes difficult.

本発明の一観点によれば、下記一般式(1)で表される化合物が提供される。 One aspect of the present invention provides a compound represented by the following general formula (1).

Figure 2022121449000001
Figure 2022121449000001

〔前記一般式(1)中、sは1~3の整数、tは0~4の整数であり、X基、Y基及びZ基は、芳香環の炭素原子との結合エネルギーが、C-X結合、C-Y結合、C-Z結合の順に大きくなる基である。〕
また、一観点によれば、上記のような化合物の製造方法、及び上記のような化合物を用いたグラフェンナノリボンの製造方法が提供される。
[In the general formula (1), s is an integer of 1 to 3, t is an integer of 0 to 4, and the X group, the Y group, and the Z group have a bond energy with the carbon atom of the aromatic ring that is C- It is a group that becomes larger in the order of X bond, CY bond, and CZ bond. ]
Moreover, according to one aspect, there are provided a method for producing the compound as described above and a method for producing graphene nanoribbons using the compound as described above.

また、一観点によれば、第1幅を有する半導体性の第1グラフェンナノリボンと、前記第1グラフェンナノリボンの長さ方向の一端に接合され前記第1幅よりも大きい第2幅を有する金属性の第2グラフェンナノリボンとを含むグラフェンナノリボンが提供される。 According to one aspect, a semiconducting first graphene nanoribbon having a first width, and a metallic graphene nanoribbon having a second width larger than the first width joined to one end in the length direction of the first graphene nanoribbon and a second graphene nanoribbon of .

また、一観点によれば、上記のようなグラフェンナノリボンを用いた半導体装置が提供される。 Moreover, according to one aspect, a semiconductor device using the above graphene nanoribbons is provided.

化合物の重合を制御し、所定の長さ及び幅を持ったグラフェンナノリボンを安定的に合成することが可能になる。また、そのようなグラフェンナノリボンを用いて高性能の半導体装置を実現することが可能になる。 It is possible to control the polymerization of compounds and stably synthesize graphene nanoribbons having a predetermined length and width. Moreover, it becomes possible to realize a high-performance semiconductor device using such graphene nanoribbons.

第2の実施の形態に係る前駆体及びそれを用いたAGNR合成の説明図である。FIG. 5 is an explanatory diagram of a precursor and AGNR synthesis using the same according to a second embodiment; 第2の実施の形態に係る前駆体合成の説明図である。FIG. 10 is an explanatory diagram of precursor synthesis according to the second embodiment; 第2の実施の形態に係るAGNRジャンクション合成の説明図である。FIG. 11 is an explanatory diagram of AGNR junction synthesis according to the second embodiment; 第2の実施の形態に係るAGNRのリボン長についての説明図である。FIG. 11 is an explanatory diagram of a ribbon length of AGNR according to the second embodiment; 第2の実施の形態に係るAGNRのリボン幅についての説明図である。FIG. 11 is an explanatory diagram of a ribbon width of AGNR according to the second embodiment; 第2の実施の形態に係るAGNRジャンクションの平面形状についての説明図である。FIG. 10 is an explanatory diagram of a planar shape of an AGNR junction according to the second embodiment; 第3の実施の形態に係る前駆体及びそれを用いたAGNR合成の説明図である。FIG. 10 is an explanatory diagram of a precursor according to a third embodiment and AGNR synthesis using the same; 第3の実施の形態に係るAGNRジャンクション合成の説明図である。FIG. 11 is an explanatory diagram of AGNR junction synthesis according to the third embodiment; 第4の実施の形態に係る前駆体及びそれを用いたAGNR合成の説明図である。FIG. 10 is an explanatory diagram of a precursor according to a fourth embodiment and AGNR synthesis using the same; 第4の実施の形態に係るAGNRジャンクション合成の説明図である。FIG. 11 is an explanatory diagram of AGNR junction synthesis according to the fourth embodiment; 第5の実施の形態に係る半導体装置の製造方法の説明図(その1)である。FIG. 14 is an explanatory diagram (part 1) of the method for manufacturing the semiconductor device according to the fifth embodiment; 第5の実施の形態に係る半導体装置の製造方法の説明図(その2)である。FIG. 22 is an explanatory diagram (part 2) of the method for manufacturing the semiconductor device according to the fifth embodiment; 第5の実施の形態に係る半導体装置の製造方法の説明図(その3)である。FIG. 21 is an explanatory diagram (part 3) of the manufacturing method of the semiconductor device according to the fifth embodiment; 第5の実施の形態に係る半導体装置の製造方法の説明図(その4)である。FIG. 21 is an explanatory diagram (part 4) of the manufacturing method of the semiconductor device according to the fifth embodiment; 第5の実施の形態に係る半導体装置の製造方法の説明図(その5)である。FIG. 20 is an explanatory diagram (No. 5) of the manufacturing method of the semiconductor device according to the fifth embodiment; 第5の実施の形態に係る半導体装置の製造方法の説明図(その6)である。FIG. 20 is an explanatory diagram (No. 6) of the method for manufacturing the semiconductor device according to the fifth embodiment; 第6の実施の形態に係る半導体装置の第1の例を示す図である。It is a figure which shows the 1st example of the semiconductor device which concerns on 6th Embodiment. 第6の実施の形態に係る半導体装置の第2の例を示す図である。FIG. 11 is a diagram showing a second example of a semiconductor device according to a sixth embodiment; 第6の実施の形態に係る半導体装置の第3の例を示す図である。It is a figure which shows the 3rd example of the semiconductor device which concerns on 6th Embodiment. 電子装置について説明する図である。It is a figure explaining an electronic device.

はじめに、グラフェン及びグラフェンナノリボンについて説明する。
グラフェンは、炭素(C)原子の6員環を二次元平面に敷き詰めたシート構造の材料である。グラフェンは、室温においても極めて高いキャリア(電子及びホール)移動度を有し、バリスティック伝導、半整数量子ホール効果等の特異な電子物性を示す。グラフェンのこのような特性を活かしたナノエレクトロニクスデバイスの研究開発が近年盛んに行われている。
First, graphene and graphene nanoribbons are described.
Graphene is a material with a sheet structure in which six-membered rings of carbon (C) atoms are laid out in a two-dimensional plane. Graphene has extremely high carrier (electron and hole) mobility even at room temperature and exhibits unique electronic properties such as ballistic conduction and half-integer quantum Hall effect. Research and development of nanoelectronic devices that take advantage of such properties of graphene have been actively carried out in recent years.

グラフェンは、π電子の共役が二次元に拡張しているため、バンドギャップがゼロに等しく、金属的な性質(ギャップレス半導体)を示す。しかし、グラフェンのサイズがナノスケールになると、シート構造を成すバルクのC原子の個数とエッジを成すC原子の個数が同等になり、その形状やエッジの影響を強く受けることで、バルクとは大きく異なる物性を示すようになる。 Since the conjugation of π electrons extends two-dimensionally, graphene has a bandgap equal to zero and exhibits metallic properties (gapless semiconductor). However, when the size of graphene becomes nanoscale, the number of C atoms in the bulk forming the sheet structure and the number of C atoms forming the edges become equal, and the shape and edges strongly affect the graphene. It comes to show different physical properties.

ナノサイズのグラフェンとして、数nm幅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(GNR)が広く知られている。GNRでは、そのエッジ構造やリボン幅によって物性が大きく変化する。 As nano-sized graphene, quasi-one-dimensional graphene in a ribbon shape with a width of several nm, so-called graphene nanoribbon (GNR), is widely known. The physical properties of GNR vary greatly depending on the edge structure and ribbon width.

GNRのエッジ構造には、C原子が2原子周期で配列したアームチェアエッジとジグザグ状に配列したジグザグエッジの2種類が存在する。アームチェアエッジのGNR(AGNR)は、量子閉じ込め及びエッジ効果によって有限のバンドギャップが開くことで、半導体的な性質を示す。一方、ジグザグエッジのGNR(ZGNR)は、磁性や金属的な性質を示す。 There are two types of edge structures of GNRs: an armchair edge in which C atoms are arranged in a two-atom cycle, and a zigzag edge in which C atoms are arranged in a zigzag pattern. Armchair-edge GNRs (AGNRs) exhibit semiconducting properties due to the opening of a finite bandgap due to quantum confinement and edge effects. On the other hand, the zigzag-edged GNR (ZGNR) exhibits magnetic or metallic properties.

AGNRは、リボン幅方向に数えたC-Cダイマーラインの数NによりN-AGNRと称される。例えば、AGNRのリボン幅方向に6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と呼ばれる。更に、Nの値によって、N=3p、3p+1、3p+2(pは正の整数)の3つのサブグループに分類される。多体効果を考慮した第一原理計算から(例えば、フィジカル・レビュー・レターズ(Physical Review Letters),2007年,第99巻,p.186801-1~4)、同じサブグループ内でのN-AGNRのバンドギャップEgの大きさは、Nの値、即ちリボン幅の増加に伴って減少することが知られている。また、各サブグループ間でのバンドギャップEg3p、Eg3p+1、Eg3p+2には、Eg3p+1>Eg3p>Eg3p+2の大小関係がある。 AGNR is referred to as N-AGNR by the number N of CC dimer lines counted across the width of the ribbon. For example, AGNR whose basic unit is anthracene, in which three six-membered rings are arranged in the width direction of the AGNR ribbon, is called 7-AGNR. Further, according to the value of N, they are classified into three subgroups of N=3p, 3p+1, 3p+2 (p is a positive integer). From first-principles calculations considering many-body effects (for example, Physical Review Letters, 2007, Vol. 99, p.186801-1-4), N-AGNR within the same subgroup The magnitude of the bandgap Eg of is known to decrease with increasing values of N, ie the ribbon width. Also, the bandgaps Eg3p, Eg3p+1, and Eg3p+2 among the subgroups have a magnitude relationship of Eg3p+1>Eg3p>Eg3p+2.

GNRの形成技術としては、電子線リソグラフィ及びエッチングによりグラフェンシートを裁断するトップダウン的な手法(例えば、フィジカル・レビュー・レターズ(Physical Review Letters),2007年,第98巻,p.206805-1~4)、カーボンナノチューブを化学的に切開する手法(例えば、ネイチャー(Nature),2009年,第458巻,p.872-876)、有機溶媒に溶解したグラファイトフレークからソノケミカル法により形成する手法(例えば、サイエンス(Science),2008年,第319巻,p.1229-1232)等が報告されている。安定した物性を示すGNRを形成するには、リボン幅やエッジ構造の制御が重要であるが、上記の手法では、エッジ構造の制御が難しく、アームチェアエッジとジグザグエッジが混在したGNRが形成されてしまう懸念がある。また、上記の手法では、リボン幅を揃えることも容易ではなく、安定した物性を示すGNRを得ることが難しいという課題がある。 As a technique for forming GNR, a top-down method of cutting a graphene sheet by electron beam lithography and etching (for example, Physical Review Letters, 2007, Vol. 98, p.206805-1~ 4), a method of chemically dissecting carbon nanotubes (for example, Nature, 2009, Vol. 458, p.872-876), a method of forming from graphite flakes dissolved in an organic solvent by a sonochemical method ( For example, Science, 2008, Vol. 319, p.1229-1232) and the like have been reported. Controlling the ribbon width and edge structure is important for forming GNRs that exhibit stable physical properties. There is a concern that In addition, the above method has the problem that it is not easy to uniform the width of the ribbon, and it is difficult to obtain a GNR exhibiting stable physical properties.

一方、GNRの形成技術として、AGNRをボトムアップ的に形成する手法が報告されている(例えば、上記非特許文献1)。この手法では、予め有機化学合成により形成した前駆体を、所定の基板上に超高真空下で蒸着し、加熱により前駆体同士を基板上で重合、環化することで、AGNRを合成する(ボトムアップ合成)。例えば、10,10’-ジブロモ-9,9’-ビアントラセンを前駆体(モノマー)とし、これを所定の基板上に蒸着し、200℃で加熱すると、臭素(Br)原子が脱離し、前駆体同士がそれらの中央部で重合したポリマー鎖が形成される。更に、400℃で加熱すると、水素(H)原子が脱離し、環化反応が誘起されることで、バンドギャップEgが3.8eVの半導体性の7-AGNRが形成される。安定した物性を示すGNRを形成するには、このようなボトムアップ合成が有効と考えられる。 On the other hand, as a technique for forming GNR, a technique for forming AGNR in a bottom-up manner has been reported (for example, Non-Patent Document 1 above). In this method, a precursor formed in advance by organic chemical synthesis is vapor-deposited on a predetermined substrate under an ultra-high vacuum, and the precursors are polymerized and cyclized on the substrate by heating to synthesize AGNR ( bottom-up synthesis). For example, 10,10′-dibromo-9,9′-bianthracene is used as a precursor (monomer), which is vapor-deposited on a predetermined substrate and heated at 200° C., bromine (Br) atoms are desorbed, and the precursor A polymer chain is formed in which the bodies are polymerized at their centers. Furthermore, when heated at 400° C., hydrogen (H) atoms are eliminated and a cyclization reaction is induced to form semiconducting 7-AGNR with a bandgap Eg of 3.8 eV. Such bottom-up synthesis is considered effective for forming GNRs exhibiting stable physical properties.

しかし、ボトムアップ合成では、その前駆体として、芳香環がH原子で終端された分子を用いると、比較的低温の加熱でも部分的な環化反応で脱離したH原子が、Br原子の脱離したCラジカルを終端(C-H結合又はC-H結合)し、ポリマー化が抑制される場合がある。このようなポリマー化の抑制は、AGNRのリボン長の増大を阻害する要因となり、例えば、合成されるAGNRの平均リボン長が30nm程度に制限されてしまう。また、ポリマー鎖は、短ければ短いほど基板上で熱拡散するため、ポリマー鎖同士が、目的とする連結点以外でランダムに結合した、欠陥(5員環や7員環)を含むAGNRの接合体、所謂AGNRジャンクションが形成され易くなる。 However, in the bottom-up synthesis, when a molecule in which the aromatic ring is terminated with an H atom is used as the precursor, the H atom eliminated by the partial cyclization reaction is replaced by the Br atom even when heated at a relatively low temperature. It may terminate separated C radicals (C—H bonds or C—H 2 bonds) and inhibit polymerization. Such suppression of polymerization is a factor that hinders the increase in the ribbon length of AGNR, and for example, the average ribbon length of synthesized AGNR is limited to about 30 nm. In addition, the shorter the polymer chain, the more thermally diffused on the substrate. bodies, so-called AGNR junctions, are likely to be formed.

AGNRの電子デバイスへの応用の観点から、これまでのリボン長では不十分となる場合がある。例えば、トランジスタのチャネルにAGNRを利用する場合、製造プロセスの簡便化や電極とのコンタクト抵抗の低減のためには、数百nmといったリボン長のAGNRの実現が期待されている。 From the viewpoint of application of AGNR to electronic devices, conventional ribbon lengths may not be sufficient. For example, when AGNR is used for the channel of a transistor, realization of AGNR with a ribbon length of several hundred nm is expected in order to simplify the manufacturing process and reduce the contact resistance with the electrode.

以上のような点に鑑み、ここでは、以下の実施の形態において示すような化合物を前駆体として用いたボトムアップ合成によりAGNRを得る手法について説明する。
まず、第1の実施の形態について説明する。
In view of the above points, here, a method for obtaining AGNR by bottom-up synthesis using compounds as precursors as described in the following embodiments will be described.
First, a first embodiment will be described.

AGNRの前駆体として用いる化合物は、式(2)に示すような構造を有する。 A compound used as a precursor of AGNR has a structure as shown in formula (2).

Figure 2022121449000002
Figure 2022121449000002

式(2)中、sは1~3の整数、tは0~4の整数であり、X基、Y基及びZ基は、芳香環のC原子との結合エネルギーが、C-X結合、C-Y結合、C-Z結合の順に大きくなる基である。換言すれば、X基、Y基及びZ基は、芳香環からの脱離温度が、X、Y、Zの順に高くなる基ということもできる。 In formula (2), s is an integer of 1 to 3, t is an integer of 0 to 4, and the X group, Y group and Z group have a bond energy with the C atom of the aromatic ring that is a C—X bond, It is a group that becomes larger in the order of CY bond and CZ bond. In other words, the X group, Y group and Z group can be said to be groups in which the elimination temperature from the aromatic ring increases in the order of X, Y and Z.

このように式(2)の化合物は、ベンゼン、アントラセン、ペンタセン、ヘプタセン、ノナセンといった芳香環(ベンゼン若しくはアセン又はそれらのダイマー)に、X基、Y基、Z基が結合し、それらによって芳香環のC原子が終端された構造を有する。 Thus, the compound of formula (2) has an aromatic ring (benzene or acene or a dimer thereof) such as benzene, anthracene, pentacene, heptacene, or nonacene, to which an X group, a Y group, or a Z group is attached, thereby forming an aromatic ring. has a structure in which the C atoms of are terminated.

X基、Y基、Z基は、例えば、相互に独立して、フッ素(F)原子、塩素(Cl)原子、Br原子、ヨウ素(I)原子等のハロゲン原子である。式(2)に示す化合物では、ハロゲン原子が、芳香環のC原子との結合エネルギーが、C-X結合、C-Y結合、C-Z結合の順に大きくなるような組み合わせで、結合される。例えば、X=I、Y=Br、Z=Clといった組み合わせや、X=Br、Y=Cl、Z=Fといった組み合わせで、芳香環のC原子に結合される。このようにX基、Y基及びZ基がハロゲン原子の場合、芳香環のC原子との結合エネルギーが、C-X結合、C-Y結合、C-Z結合の順に大きくなることは、換言すれば、原子量が、X基、Y基、Z基の順に小さくなると言うこともできる。 X group, Y group and Z group are, for example, independently of each other halogen atoms such as fluorine (F) atom, chlorine (Cl) atom, Br atom and iodine (I) atom. In the compound represented by formula (2), the halogen atoms are bonded in a combination such that the bond energy with the C atom of the aromatic ring increases in the order of C—X bond, C—Y bond, and C—Z bond. . For example, a combination of X=I, Y=Br and Z=Cl and a combination of X=Br, Y=Cl and Z=F are bonded to the C atoms of the aromatic ring. In this way, when the X group, the Y group and the Z group are halogen atoms, the bond energy with the C atom of the aromatic ring increases in the order of the C—X bond, the CY bond, and the C—Z bond. It can also be said that the atomic weight decreases in the order of the X group, the Y group, and the Z group.

X基、Y基及びZ基は、芳香環のC原子との結合エネルギーが、C-X結合、C-Y結合、C-Z結合の順に大きくなるものであれば、上記のようなハロゲン原子に限定されない。例えば、X基、Y基及びZ基は、相互に独立して、ニトリル基(CN基)、ニトロ基(NO基)、トリハロゲン化メチル基(CF基、CCl基、CBr基、CI基)であってもよい。 X group, Y group and Z group are halogen atoms as described above, provided that the bond energy with the C atom of the aromatic ring increases in the order of C—X bond, C—Y bond, and C—Z bond. is not limited to For example, the groups X, Y and Z independently of each other can be nitrile groups (CN groups), nitro groups (NO 2 groups), trihalogenated methyl groups (CF 3 groups, CCl 3 groups, CBr 3 groups , CI 3 groups).

式(2)の化合物は、芳香環のC原子がH原子で終端されていない構造、即ち、C-H結合を含まない構造を有する。
式(2)に示すような前駆体は、次のようにして合成される。
The compound of formula (2) has a structure in which the C atoms of the aromatic ring are not terminated with H atoms, ie, the structure does not contain a C—H bond.
A precursor as represented by the formula (2) is synthesized as follows.

まず、式(3)に示すような化合物、即ち、上記式(2)のX基にH原子が結合し、Y基にアミノ基(NH基)が結合した構造を有する化合物を準備する。 First, a compound represented by the formula (3), that is, a compound having a structure in which an H atom is bonded to the X group of the above formula (2) and an amino group (NH 2 group) is bonded to the Y group, is prepared.

Figure 2022121449000003
Figure 2022121449000003

準備された式(3)の化合物のNH基をY基に変換し、式(4)に示すような化合物を得る。 The NH2 group of the prepared compound of formula (3) is converted to a Y group to give compounds as shown in formula (4).

Figure 2022121449000004
Figure 2022121449000004

得られた式(4)の化合物のH原子をX基に変換し、上記式(2)に示すような化合物を得る。
尚、式(3)及び(4)中、sは1~3の整数、tは0~4の整数であり、X基、Y基及びZ基は、芳香環のC原子との結合エネルギーが、C-X結合、C-Y結合、C-Z結合の順に大きくなる基である。
The H atom of the resulting compound of formula (4) is converted to an X group to give the compound of formula (2) above.
In formulas (3) and (4), s is an integer of 1 to 3, t is an integer of 0 to 4, and the X group, Y group and Z group have binding energy with the C atom of the aromatic ring , C—X bond, CY bond, and C—Z bond.

例えば、上記式(2)の化合物として、1,4,5,8-テトラブロモ-2,3,6,7-テトラクロロ-9,10-ジヨードアントラセン(s=t=1、X=I、Y=Br、Z=Cl)を合成する場合であれば、次のようにすることができる。まず、1,4,5,8-テトラアミノ-2,3,6,7-テトラクロロアントラセン(1,4,5,8-tetraamino-2,3,6,7-tetrachloroanthracene)を準備し、そのNH基を、サンドマイヤー反応等によってBr基に変換し、1,4,5,8-テトラブロモ-2,3,6,7-テトラクロロアントラセン(1,4,5,8-tetrabromo-2,3,6,7-tetrachloroanthracene)を得る。次いで、ヨウ素化反応によってI基を導入し、1,4,5,8-テトラブロモ-2,3,6,7-テトラクロロ-9,10-ジヨードアントラセン(1,4,5,8-tetrabromo-2,3,6,7-tetrachloro-9,10-diiodoanthracene)を得る。 For example, as the compound of formula (2), 1,4,5,8-tetrabromo-2,3,6,7-tetrachloro-9,10-diiodoanthracene (s=t=1, X=I, Y=Br, Z=Cl) can be synthesized as follows. First, prepare 1,4,5,8-tetraamino-2,3,6,7-tetrachloroanthracene (1,4,5,8-tetraamino-2,3,6,7-tetrachloroanthracene), The NH2 group is converted to a Br group by the Sandmeyer reaction or the like to give 1,4,5,8-tetrabromo-2,3,6,7-tetrachloroanthracene (1,4,5,8-tetrabromo-2, 3,6,7-tetrachloroanthracene). Group I is then introduced by an iodination reaction to give 1,4,5,8-tetrabromo-2,3,6,7-tetrachloro-9,10-diiodoanthracene (1,4,5,8-tetrabromo -2,3,6,7-tetrachloro-9,10-diiodoanthracene).

このような方法の例に従い、上記式(2)で示されるような各種前駆体を得ることができる。
続いて、上記のような前駆体を用いたAGNRの合成について説明する。
Various precursors as represented by the above formula (2) can be obtained according to examples of such methods.
Next, synthesis of AGNR using the precursors as described above will be described.

AGNRの合成では、まず、上記式(2)に示すような前駆体が、真空中で、加熱された金(Au)の(111)面等の基板上に蒸着(真空蒸着)される。この真空蒸着の際、基板上に蒸着された前駆体群が重合し、式(5)に示すような芳香族化合物のポリマー鎖が合成される。 In synthesizing AGNR, first, a precursor represented by the above formula (2) is vapor-deposited (vacuum vapor-deposited) on a heated substrate such as the (111) plane of gold (Au) in a vacuum. During this vacuum deposition, the precursor group deposited on the substrate is polymerized to synthesize a polymer chain of an aromatic compound as shown in formula (5).

Figure 2022121449000005
Figure 2022121449000005

上記式(2)の前駆体では、C-X結合の結合エネルギーが、C-Y結合及びC-Z結合に比べて低い。真空蒸着の際には、X基が脱離する温度で、且つ、Y基及びZ基の脱離が抑えられる温度で、加熱を行う。このような温度で真空蒸着を行うと、Y基及びZ基の脱離に比べてX基が優先的に脱離し、X基の脱離と、X基が脱離したC原子間の結合(C-C結合)反応が誘起されて、分子中央の連結点で重合した、式(5)のようなポリマー鎖(重合度n)が安定的に合成される。X基の脱離に比べてY基及びZ基の脱離が抑えられるため、前駆体とポリマー鎖、或いはポリマー鎖同士の、中央の連結点以外での結合が抑えられる。 In the precursor of formula (2) above, the bond energy of the C—X bond is lower than that of the CY bond and the C—Z bond. During vacuum deposition, heating is performed at a temperature at which the X group is eliminated and at a temperature at which the elimination of the Y and Z groups is suppressed. When vacuum deposition is performed at such a temperature, the X group is preferentially eliminated compared to the elimination of the Y and Z groups, and the elimination of the X group and the bond between the C atoms ( C—C bond) reaction is induced to stably synthesize a polymer chain (degree of polymerization n) of formula (5) polymerized at the linking point in the middle of the molecule. Since the elimination of the Y group and the Z group is suppressed compared to the elimination of the X group, bonding between the precursor and the polymer chain or between the polymer chains other than the central linking point is suppressed.

合成されたポリマー鎖に対し、更に真空中で、より高温の加熱(第1高温加熱)が行われる。この第1高温加熱の際、基板上のポリマー鎖で環化が進行し、式(6)に示すようなAGNRが合成される。 The synthesized polymer chain is further heated in vacuum at a higher temperature (first high-temperature heating). During this first high-temperature heating, cyclization proceeds in the polymer chains on the substrate to synthesize AGNR as shown in formula (6).

Figure 2022121449000006
Figure 2022121449000006

式(5)のポリマー鎖では、C-Y結合の結合エネルギーが、C-Z結合に比べて低い。第1高温加熱の際には、Y基が脱離する温度で、且つ、Z基の脱離が抑えられる温度で、加熱を行う。このような温度で第1高温加熱を行うと、Z基に比べてY基が優先的に脱離し、Y基の脱離とC-C結合反応が誘起されて環化が進行し、式(6)のようなAGNRが安定的に合成される。Y基の脱離に比べてZ基の脱離が抑えられるため、ポリマー鎖同士、ポリマー鎖とAGNR、或いはAGNR同士の、幅方向(リボン幅方向)の結合が抑えられる。 In the polymer chain of formula (5), the bond energy of the CY bond is lower than that of the CZ bond. During the first high-temperature heating, heating is performed at a temperature at which the Y group is detached and at a temperature at which the detachment of the Z group is suppressed. When the first high-temperature heating is performed at such a temperature, the Y group preferentially eliminates compared to the Z group, and the elimination of the Y group and the C—C bond reaction are induced to promote cyclization, and the formula ( AGNR such as 6) is stably synthesized. Since elimination of the Z group is suppressed more than elimination of the Y group, bonding between polymer chains, between a polymer chain and AGNR, or between AGNRs in the width direction (ribbon width direction) is suppressed.

上記式(2)の前駆体、並びにそれを用いて合成される式(5)のポリマー鎖及び式(6)のAGNRでは、芳香環のC原子がH原子で終端されていない。そのため、真空蒸着による式(5)のポリマー鎖の合成過程、及び第1高温加熱による式(6)のAGNRの合成過程において、H原子の脱離とそれによるCラジカルの発生が抑えられる。これにより、式(5)のポリマー鎖の合成過程では、脱離したH原子によるポリマー化の停止を抑え、重合度nを増大させる、即ち、最終的に得られるAGNRのリボン長を増大させることができる。例えば、数百nmのリボン長を有するAGNRが実現される。また、式(5)のポリマー鎖の合成過程、及び式(6)のAGNRの合成過程では、前駆体同士、前駆体とポリマー鎖、ポリマー鎖同士、ポリマー鎖とAGNR、或いはAGNR同士の、ランダムな結合、目的とする結合点以外での結合を抑えることができる。 In the precursor of formula (2) above, and the polymer chain of formula (5) and AGNR of formula (6) synthesized using it, the C atom of the aromatic ring is not terminated with an H atom. Therefore, in the process of synthesizing the polymer chain of formula (5) by vacuum vapor deposition and the process of synthesizing AGNR of formula (6) by the first high-temperature heating, the desorption of H atoms and the generation of C radicals due to this is suppressed. As a result, in the process of synthesizing the polymer chain of the formula (5), termination of polymerization due to detached H atoms is suppressed, and the degree of polymerization n is increased, that is, the ribbon length of the finally obtained AGNR is increased. can be done. For example, AGNRs with ribbon lengths of several hundred nm are realized. In the process of synthesizing the polymer chain of formula (5) and the process of synthesizing AGNR of formula (6), random It is possible to suppress unintentional bonding and bonding at points other than the intended bonding points.

上記のようにして合成される式(6)のAGNRに対し、更に真空中で、より高温の加熱(第2高温加熱)が行われてもよい。第2高温加熱の際には、Z基が脱離する温度で、加熱を行う。このような温度で第2高温加熱を行うと、平行に隣接するAGNR同士の間で、Z基の脱離とC-C結合反応が誘起される。これにより、AGNR同士がリボン幅方向に6員環接合された、AGNRジャンクションが合成される。式(6)のAGNRでは、芳香環のC原子がH原子で終端されていないため、H原子の脱離とそれによるCラジカルの発生が抑えられ、5員環や7員環のような欠陥の発生が抑えられたAGNRジャンクションを合成することができる。 The AGNR of formula (6) synthesized as described above may be further heated in a vacuum at a higher temperature (second high-temperature heating). During the second high-temperature heating, heating is performed at a temperature at which the Z group is eliminated. When the second high-temperature heating is performed at such a temperature, elimination of the Z group and CC bond reaction are induced between the AGNRs adjacent in parallel. As a result, an AGNR junction is synthesized in which AGNRs are six-membered ring-joined in the width direction of the ribbon. In the AGNR of formula (6), since the C atom of the aromatic ring is not terminated with an H atom, the elimination of the H atom and the resulting generation of C radicals are suppressed, and defects such as 5- and 7-membered rings are suppressed. It is possible to synthesize an AGNR junction in which the occurrence of is suppressed.

上記式(2)の前駆体を用い、X基、Y基及びZ基の、芳香環のC原子との結合エネルギー差、脱離温度差を利用して、上記のような合成を行うことにより、リボン長が長く、欠陥の発生が抑えられたAGNR及びAGNRジャンクションを合成することができる。 By using the precursor of the above formula (2) and utilizing the difference in binding energy between the C atom of the aromatic ring and the difference in desorption temperature between the X group, the Y group and the Z group, and performing the synthesis as described above. , AGNR and AGNR junctions with long ribbon length and reduced defects can be synthesized.

以下では、上記のような前駆体及びそれを用いて合成されるAGNR及びAGNRジャンクションの例を、第2~第4の実施の形態として説明する。
まず、第2の実施の形態について説明する。
Examples of the above precursors and AGNRs and AGNR junctions synthesized using the precursors will be described below as second to fourth embodiments.
First, a second embodiment will be described.

図1は第2の実施の形態に係る前駆体及びそれを用いたAGNR合成の説明図である。また、図2は第2の実施の形態に係る前駆体合成の説明図である。
この例では、図1に示すような前駆体10a、即ち、1,4,5,8-テトラブロモ-2,3,6,7-テトラクロロ-9,10-ジヨードアントラセンが用いられる。この前駆体10aは、上記式(2)において、s=t=1、X=I、Y=Br、Z=Clとした構造を有する分子である。
FIG. 1 is an explanatory diagram of a precursor and AGNR synthesis using the precursor according to the second embodiment. FIG. 2 is an explanatory diagram of precursor synthesis according to the second embodiment.
In this example, the precursor 10a as shown in FIG. 1 is used, namely 1,4,5,8-tetrabromo-2,3,6,7-tetrachloro-9,10-diiodoanthracene. This precursor 10a is a molecule having a structure in which s=t=1, X=I, Y=Br, and Z=Cl in the above formula (2).

前駆体10aは、例えば、図2に示すようにして合成される。まず、1,4,5,8-テトラアミノ-2,3,6,7-テトラクロロアントラセン(図2の化合物11)が準備され、そのNH基が、サンドマイヤー反応によってBr基に変換され、1,4,5,8-テトラブロモ-2,3,6,7-テトラクロロアントラセン(図2の化合物12)が得られる。次いで、ヨウ素化反応によってI基が導入され、1,4,5,8-テトラブロモ-2,3,6,7-テトラクロロ-9,10-ジヨードアントラセン(図2の化合物13、図1の前駆体10a)が得られる。 The precursor 10a is synthesized, for example, as shown in FIG. First, 1,4,5,8-tetraamino-2,3,6,7-tetrachloroanthracene (compound 11 in FIG. 2) was prepared and its NH2 groups were converted to Br groups by Sandmeyer reaction. , 1,4,5,8-tetrabromo-2,3,6,7-tetrachloroanthracene (compound 12 in FIG. 2) is obtained. Group I is then introduced by an iodination reaction, 1,4,5,8-tetrabromo-2,3,6,7-tetrachloro-9,10-diiodoanthracene (compound 13 in FIG. 2, A precursor 10a) is obtained.

図1(及び図2)に示すような前駆体10aが、所定の基板上に真空蒸着され、更に加熱が行われて、7-AGNR30aが合成される。
ここで、前駆体10aを真空蒸着する基板としては、例えば、単結晶金属基板が用いられる。このような単結晶金属基板として、例えば、Au(111)面が用いられる。単結晶金属基板としては、Au(111)面のほか、銅(Cu)、ニッケル(Ni)、ロジウム(Rh)、パラジウム(Pd)、銀(Ag)、イリジウム(Ir)、白金(Pt)等の(111)面が用いられてもよい。また、合成されるAGNRの指向性を制御するために、数nm幅のステップとテラスの周期構造を有する、上記のような単結晶金属のミスカット基板が用いられてもよい。或いはまた、金属性の結晶基板のほか、IV族半導体、III-V族化合物半導体、II-VI族化合物半導体、遷移金属酸化物半導体等の半導体性の結晶基板が用いられてもよい。ここでは、Au(111)面を例にして説明する。
A precursor 10a as shown in FIG. 1 (and FIG. 2) is vacuum-deposited on a predetermined substrate and further heated to synthesize 7-AGNR30a.
Here, for example, a single-crystal metal substrate is used as the substrate on which the precursor 10a is vacuum-deposited. As such a single crystal metal substrate, for example, an Au (111) plane is used. As a single crystal metal substrate, in addition to Au (111) surface, copper (Cu), nickel (Ni), rhodium (Rh), palladium (Pd), silver (Ag), iridium (Ir), platinum (Pt), etc. The (111) plane of may be used. Also, in order to control the directivity of the synthesized AGNR, a single-crystal metal miscut substrate as described above, which has a periodic structure of steps and terraces several nm wide, may be used. Alternatively, in addition to metallic crystal substrates, semiconducting crystal substrates such as IV group semiconductors, III-V group compound semiconductors, II-VI group compound semiconductors, and transition metal oxide semiconductors may be used. Here, the Au (111) plane will be described as an example.

前駆体10aを蒸着する前処理として、Au(111)面の有機系不純物(コンタミ)の除去、及びAu(111)面の平坦性の向上を目的として、アルゴン(Ar)イオンスパッタと超高真空アニールを1セットとする表面清浄処理が複数サイクル実施される。1セットあたりの表面清浄処理は、Arイオンスパッタが、イオン加速電圧0.8kV~2.0kV、イオン電流1.0μA~10.0μAで1分間行われ、超高真空アニールが、5×10-7Pa以下の真空度を保持しつつ、300℃~450℃で10分間行われる。例えば、このような表面清浄処理が、3サイクル実施される。 As a pretreatment for vapor deposition of the precursor 10a, argon (Ar) ion sputtering and ultra-high vacuum are performed for the purpose of removing organic impurities (contamination) on the Au (111) surface and improving the flatness of the Au (111) surface. A plurality of cycles of surface cleaning treatment with annealing as one set are performed. In the surface cleaning treatment per set, Ar ion sputtering was performed for 1 minute at an ion acceleration voltage of 0.8 kV to 2.0 kV and an ion current of 1.0 μA to 10.0 μA, and ultra-high vacuum annealing was performed at 5×10 It is carried out at 300° C. to 450° C. for 10 minutes while maintaining a degree of vacuum of 7 Pa or less. For example, such surface cleaning treatment is performed for three cycles.

表面清浄処理が施されたAu(111)面を大気に曝すことなく、超高真空の真空槽内で、そのAu(111)面上に、7-AGNRがin-situで合成される。
その際は、まず、基本真空度が5×10-8Pa以下の超高真空下にて、前駆体10aが、K-cell型エバポレーターで100℃~150℃に加熱されて昇華され、100℃~150℃に保持されたAu(111)面上に蒸着される。蒸着速度は、例えば、0.05nm/分~0.1nm/分に設定される。蒸着膜厚は、例えば、0.5ML~1ML(ML:monolayer、1MLは約0.2nm)に設定される。
7-AGNR is synthesized in-situ on the Au(111) surface in an ultra-high vacuum chamber without exposing the surface-cleaned Au(111) surface to the atmosphere.
At that time, first, the precursor 10a is sublimated by heating to 100 ° C. to 150 ° C. with a K-cell type evaporator under an ultra-high vacuum with a basic degree of vacuum of 5 × 10 -8 Pa or less. It is deposited on the Au(111) surface held at ~150°C. The deposition rate is set to, for example, 0.05 nm/min to 0.1 nm/min. The deposited film thickness is set to, for example, 0.5 ML to 1 ML (ML: monolayer, 1 ML is approximately 0.2 nm).

前駆体10aでは、基本骨格のアントラセンにI原子、Br原子、Cl原子が結合したC-I結合、C-Br結合、C-Cl結合のうち、前駆体10a同士の連結点となるC-I結合の結合エネルギーが、他のC-Br結合及びC-Cl結合の結合エネルギーに比べて低い。100℃~150℃のAu(111)面上に蒸着された前駆体10aでは、C-I結合が切れることによるI原子の脱離(脱I化)が起こる一方、C-Br結合及びC-Cl結合が切れることによるBr原子及びCl原子の脱離は抑えられる。100℃~150℃のAu(111)面上では、脱I化、及び脱I化されたC原子間のC-C結合反応が誘起され、前駆体10aの分子中央の連結点で重合した、図1に示すようなポリマー鎖20aが安定的に合成される。 In the precursor 10a, among the CI bond, the C-Br bond, and the C-Cl bond in which the I atom, the Br atom, and the Cl atom are bonded to the anthracene of the basic skeleton, the C-I The bond energy of the bond is lower than those of other C--Br bonds and C--Cl bonds. In the precursor 10a deposited on the Au (111) surface at 100° C. to 150° C., the I atom is desorbed (de-I) by breaking the C—I bond, while the C—Br bond and the C— Detachment of Br atoms and Cl atoms due to breaking of Cl bonds is suppressed. On the Au(111) surface at 100° C.-150° C., de-Iylation and C—C bond reactions between the de-Iylated C atoms were induced and polymerized at the central linking point of the precursor 10a molecule. A polymer chain 20a as shown in FIG. 1 is stably synthesized.

このポリマー鎖20aの合成過程において、前駆体10aの分子中央の連結点以外のC原子には、I原子よりも結合エネルギーの高いBr原子、Cl原子が結合しており、100℃~150℃のAu(111)面上では、Br原子及びCl原子の脱離は抑えられる。そのため、100℃~150℃のAu(111)面上における、前駆体10aとポリマー鎖20a、或いはポリマー鎖20a同士の、中央の連結点以外での結合は抑えられる。 In the process of synthesizing the polymer chain 20a, the C atoms other than the linking point at the center of the molecule of the precursor 10a are bound to Br and Cl atoms having higher binding energy than the I atom. On the Au(111) plane, desorption of Br and Cl atoms is suppressed. Therefore, bonding between the precursor 10a and the polymer chain 20a or between the polymer chains 20a on the Au (111) surface at 100° C. to 150° C. is suppressed except for the central connecting point.

前駆体10aの基本骨格にはC-H結合が含まれず、ポリマー鎖20aの合成過程では、H原子の脱離及びそれによるCラジカルの発生が抑えられる。そのため、ポリマー鎖20aは、長さ方向(合成する7-AGNR30aのリボン長方向P)に効果的に延伸される。ポリマー鎖20aの長さ(及び合成する7-AGNR30aのリボン長)は、例えば、その下地であるAu(111)面等の基板の平面形状(その長さ)によって制御される。 The basic skeleton of the precursor 10a does not contain a C—H bond, and the elimination of H atoms and the resulting generation of C radicals are suppressed in the process of synthesizing the polymer chain 20a. Therefore, the polymer chain 20a is effectively stretched in the length direction (the ribbon length direction P of the 7-AGNR 30a to be synthesized). The length of the polymer chain 20a (and the length of the ribbon of the synthesized 7-AGNR 30a) is controlled by, for example, the planar shape (its length) of the underlying substrate such as the Au (111) plane.

上記のようなポリマー鎖20aを合成する真空蒸着に続き、Au(111)面が、例えば、1℃/分~5℃/分の昇温速度で、200℃~250℃に昇温され、10分~1時間保持される。200℃~250℃のAu(111)面上に合成されたポリマー鎖20aでは、C-Br結合が切れることによるBr原子の脱離(脱Br化)が起こる一方、C-Cl結合が切れることによるCl原子の脱離は抑えられる。200℃~250℃のAu(111)面上では、脱Br化、及び脱Br化されたC原子間のC-C結合反応が誘起され、ポリマー鎖20aの環化が進行する。これにより、図1に示すような、エッジがCl原子で終端された、リボン幅方向QにC原子7個分相当の幅を持った、7-AGNR30aが安定的に合成される。 Following vacuum deposition to synthesize the polymer chains 20a as described above, the Au(111) surface is heated to 200° C.-250° C. at a heating rate of, for example, 1° C./min to 5° C./min. Holds from minutes to 1 hour. In the polymer chain 20a synthesized on the Au (111) surface at 200° C. to 250° C., the Br atom is eliminated (de-Br) due to the breaking of the C—Br bond, while the C—Cl bond is broken. detachment of Cl atoms by is suppressed. On the Au(111) surface at 200° C. to 250° C., deBrization and C—C bond reactions between the deBrized C atoms are induced, and cyclization of the polymer chain 20a proceeds. As a result, as shown in FIG. 1, 7-AGNR30a having a width corresponding to seven C atoms in the ribbon width direction Q and having edges terminated with Cl atoms is stably synthesized.

この7-AGNR30aの合成過程において、上記のように、200℃~250℃のAu(111)面上では、Cl原子の脱離は抑えられる。そのため、200℃~250℃のAu(111)面上における、ポリマー鎖20a同士、ポリマー鎖20aと7-AGNR30a、或いは7-AGNR30a同士の、ランダムな結合、目的とする結合点以外での結合(リボン幅方向Qの接合)は抑えられる。 In the process of synthesizing 7-AGNR30a, as described above, on the Au (111) surface at 200° C. to 250° C., desorption of Cl atoms is suppressed. Therefore, random bonding between polymer chains 20a, between polymer chains 20a and 7-AGNR30a, or between 7-AGNR30a on the Au (111) plane at 200 ° C. to 250 ° C., bonding other than the intended bonding point ( bonding in the ribbon width direction Q) is suppressed.

このように、前駆体10aを用いた7-AGNR30aの合成では、前駆体10aの基本骨格のアントラセンに結合したI原子、Br原子、Cl原子の脱離温度差が利用される。即ち、まず、脱離温度が最も低いI原子の脱離及びC-C結合反応が、所定の温度の加熱で誘起され、長さ方向に延伸されたポリマー鎖20aが合成される。そして、脱離温度が中間のBr原子の脱離及びC-C結合反応が、より高温の加熱で誘起され、ポリマー鎖20aが環化され、7-AGNR30aが合成される。これにより、リボン長が長く、欠陥の発生が抑えられた7-AGNR30aが、安定的に合成される。 Thus, in the synthesis of 7-AGNR30a using the precursor 10a, the desorption temperature difference between the I, Br, and Cl atoms bonded to the anthracene in the basic skeleton of the precursor 10a is utilized. That is, first, the elimination of the I atom, which has the lowest elimination temperature, and the C—C bond reaction are induced by heating at a predetermined temperature to synthesize the polymer chain 20a elongated in the length direction. Then, the elimination of the Br atom whose elimination temperature is intermediate and the C—C bond reaction are induced by heating at a higher temperature, the polymer chain 20a is cyclized, and 7-AGNR30a is synthesized. As a result, 7-AGNR30a having a long ribbon length and suppressed occurrence of defects is stably synthesized.

上記のような7-AGNR30aを合成する加熱に続き、Au(111)面を更に高温で加熱すると、リボン幅方向Qに隣接する7-AGNR30a群がAu(111)面上に存在する場合、それらをリボン幅方向Qに接合させることができる。 Following the heating for synthesizing 7-AGNR30a as described above, when the Au (111) plane is further heated at a high temperature, if the 7-AGNR30a group adjacent to the ribbon width direction Q exists on the Au (111) plane, they can be joined in the ribbon width direction Q.

図3は第2の実施の形態に係るAGNRジャンクション合成の説明図である。
例えば、7-AGNR30aを合成する加熱に続き、Au(111)面が、300℃~350℃に昇温され、10分~1時間保持される。300℃~350℃のAu(111)面上に合成された7-AGNR30aでは、C-Cl結合が切れることによるCl原子の脱離(脱Cl化)が起こる。300℃~350℃のAu(111)面上では、リボン長方向Pに平行に伸びる7-AGNR30a同士(図3の7-AGNR31a,32a)がリボン幅方向Qに隣接する場合、それらの間で、脱Cl化、及び脱Cl化されたC原子間のC-C結合反応が誘起される。これにより、7-AGNR30a同士がリボン幅方向Qに6員環接合されたAGNR(7-AGNRジャンクション)40aが合成される。ここでは一例として、平面L字形状の7-AGNRジャンクション40aを図示している。7-AGNRジャンクション40aの平面形状は、例えば、その下地であるAu(111)面等の基板の平面形状によって制御される。
FIG. 3 is an explanatory diagram of AGNR junction synthesis according to the second embodiment.
For example, following heating to synthesize 7-AGNR30a, the Au(111) surface is heated to 300° C. to 350° C. and held for 10 minutes to 1 hour. In the 7-AGNR30a synthesized on the Au (111) surface at 300° C. to 350° C., the Cl atom is eliminated (de-Cl) due to the breaking of the C—Cl bond. On the Au (111) plane at 300 ° C. to 350 ° C., when the 7-AGNRs 30a extending parallel to the ribbon length direction P (7-AGNRs 31a and 32a in FIG. 3) are adjacent to each other in the ribbon width direction Q, , deCl, and C—C bond reactions between the deClized C atoms are induced. As a result, an AGNR (7-AGNR junction) 40a is synthesized in which the 7-AGNRs 30a are six-membered ring-joined in the ribbon width direction Q. Here, as an example, a planar L-shaped 7-AGNR junction 40a is illustrated. The planar shape of the 7-AGNR junction 40a is controlled by, for example, the planar shape of the underlying substrate such as the Au (111) plane.

ここで、7-AGNR30a及び7-AGNRジャンクション40aの平面形状について、図4~図7を参照して説明する。
図4は第2の実施の形態に係るAGNRのリボン長についての説明図である。図4(A)~図4(C)にはそれぞれ、AGNR及びその下地の基板の平面図を模式的に示している。
Here, the planar shapes of the 7-AGNR 30a and the 7-AGNR junction 40a will be described with reference to FIGS. 4 to 7. FIG.
FIG. 4 is an explanatory diagram of the ribbon length of AGNR according to the second embodiment. FIGS. 4A to 4C schematically show plan views of the AGNR and its underlying substrate, respectively.

例えば、図4(A)に示すように、合成する7-AGNR30aのリボン長方向Pに所定の長さを有する、Au(111)面等の基板50上に、上記のような手法により、7-AGNR30aが合成される。基板50上には、その長さに応じたリボン長で7-AGNR30aが合成される。この基板50の長さを、図4(B)に示すように、図4(A)の場合よりも長くすると、その基板50上には、図4(A)の場合よりも長い7-AGNR30aが合成される。同様に、基板50の長さを、図4(C)に示すように、図4(B)の場合よりも更に長くすると、その基板50上には、図4(B)の場合よりも更に長い7-AGNR30aが合成される。 For example, as shown in FIG. 4A, on a substrate 50 such as an Au (111) surface having a predetermined length in the ribbon length direction P of the 7-AGNR 30a to be synthesized, 7 -AGNR30a is synthesized. 7-AGNR 30a is synthesized on the substrate 50 with a ribbon length corresponding to its length. If the length of this substrate 50 is made longer than in the case of FIG. 4A, as shown in FIG. 4B, 7-AGNR 30a longer than that in FIG. is synthesized. Similarly, if the length of the substrate 50 is made longer than in FIG. 4B, as shown in FIG. A long 7-AGNR30a is synthesized.

このように、7-AGNR30aは、その合成が行われる基板50の長さに応じたリボン長で合成することができる。7-AGNR30aの合成では、上記のような前駆体10aを用い、ポリマー鎖20aの合成(及び環化)を、I原子の脱離温度よりも高く、Br原子及びCl原子の脱離温度よりも低い温度で行うことで、基板50の長さに相当する分、前駆体10aの重合を継続させることができる。そのため、基板50の長さに応じた重合度nのポリマー鎖20aを合成することができ、合成されたポリマー鎖20aの環化により、基板50の長さに応じたリボン長の7-AGNR30aを合成することができる。換言すれば、基板50の長さによって7-AGNR30aのリボン長を制御することができる。 Thus, 7-AGNR 30a can be synthesized with a ribbon length that depends on the length of the substrate 50 on which it is synthesized. In the synthesis of 7-AGNR30a, precursor 10a as described above was used, and the synthesis (and cyclization) of polymer chain 20a was performed above the elimination temperature of the I atom and above the elimination temperature of the Br and Cl atoms. By carrying out at a low temperature, the polymerization of the precursor 10a can be continued for a length corresponding to the length of the substrate 50. FIG. Therefore, it is possible to synthesize the polymer chain 20a with a degree of polymerization n corresponding to the length of the substrate 50, and cyclize the synthesized polymer chain 20a to form 7-AGNR30a having a ribbon length corresponding to the length of the substrate 50. Can be synthesized. In other words, the length of the substrate 50 can control the ribbon length of the 7-AGNR 30a.

図5は第2の実施の形態に係るAGNRのリボン幅についての説明図である。図5(A)~図5(C)にはそれぞれ、AGNR及びその下地の基板の平面図を模式的に示している。 FIG. 5 is an explanatory diagram of the ribbon width of the AGNR according to the second embodiment. 5A to 5C schematically show plan views of the AGNR and its underlying substrate, respectively.

例えば、図5(A)に示すように、合成する7-AGNR30aのリボン幅方向Qに所定の幅を有する、Au(111)面等の基板50上に、上記のような手法により、7-AGNR30aが合成される。基板50上には、その幅に応じて7-AGNR30aが合成される。図5(A)には便宜上、基板50上に1本の7-AGNR30aが合成された場合を例示している。この基板50の幅を、図5(B)に示すように、図5(A)の場合よりも広くすると、その幅広の基板50上に合成された、隣接する7-AGNR30a同士の接合により、図5(A)の場合よりも幅の広いAGNR、即ち7-AGNRジャンクション40aが合成される。図5(B)には便宜上、2本の7-AGNR30aが接合されて7-AGNRジャンクション40aが合成された場合を例示している。同様に、基板50の幅を、図5(C)に示すように、図5(B)の場合よりも更に広くすると、その更に幅広の基板50上には、図5(B)の場合よりも更に幅の広い7-AGNRジャンクション40aが合成される。図5(C)には便宜上、3本の7-AGNR30aが接合されて7-AGNRジャンクション40aが合成された場合を例示している。 For example, as shown in FIG. 5A, a substrate 50 such as an Au (111) surface having a predetermined width in the ribbon width direction Q of the 7-AGNR 30a to be synthesized is coated with 7- AGNR30a is synthesized. 7-AGNR 30a is synthesized on the substrate 50 according to its width. For the sake of convenience, FIG. 5A exemplifies the case where one 7-AGNR 30a is synthesized on the substrate 50. As shown in FIG. As shown in FIG. 5B, if the width of this substrate 50 is made wider than in the case of FIG. A wider AGNR than in FIG. 5A, namely a 7-AGNR junction 40a is synthesized. For the sake of convenience, FIG. 5B exemplifies a case where two 7-AGNRs 30a are joined to synthesize a 7-AGNR junction 40a. Similarly, if the width of the substrate 50 is made wider than in the case of FIG. 5B, as shown in FIG. An even wider 7-AGNR junction 40a is synthesized. For the sake of convenience, FIG. 5(C) illustrates a case where three 7-AGNRs 30a are joined to synthesize a 7-AGNR junction 40a.

このように、7-AGNRジャンクション40aは、7-AGNR30aの合成が行われる基板50の幅に応じた幅で合成することができる。7-AGNR30aの合成では、上記のような前駆体10aを用い、ポリマー鎖20aの合成及び環化を、Cl原子の脱離温度よりも低い温度で行うことで、リボン幅方向Qのランダムな結合及び欠陥の発生を抑えて、合成を行うことができる。そのため、基板50の幅に応じた配列数の7-AGNR30aを合成することができ、Cl原子の脱離温度よりも高い温度での加熱により、基板50の幅に応じた幅の7-AGNRジャンクション40aを合成することができる。換言すれば、基板50の幅によって7-AGNRジャンクション40aの幅を制御することができる。 Thus, the 7-AGNR junction 40a can be synthesized with a width that corresponds to the width of the substrate 50 on which the 7-AGNR 30a is synthesized. In the synthesis of 7-AGNR30a, the precursor 10a as described above is used, and the synthesis and cyclization of the polymer chain 20a are performed at a temperature lower than the desorption temperature of the Cl atom, thereby forming random bonds in the ribbon width direction Q Also, the synthesis can be performed while suppressing the occurrence of defects. Therefore, it is possible to synthesize 7-AGNR 30a with an arrangement number corresponding to the width of the substrate 50, and by heating at a temperature higher than the desorption temperature of Cl atoms, 7-AGNR junctions having a width corresponding to the width of the substrate 50 40a can be synthesized. In other words, the width of the substrate 50 can control the width of the 7-AGNR junction 40a.

また、このように基板50の幅によって7-AGNRジャンクション40aの幅が制御されるため、基板50の幅によって半導体性の7-AGNRジャンクション40aと金属性の7-AGNRジャンクション40aとを作り分けることができる。 In addition, since the width of the 7-AGNR junction 40a is controlled by the width of the substrate 50 in this manner, the semiconductor 7-AGNR junction 40a and the metallic 7-AGNR junction 40a can be separately produced depending on the width of the substrate 50. can be done.

図6は第2の実施の形態に係るAGNRジャンクションの平面形状についての説明図である。図6(A)~図6(C)にはそれぞれ、AGNR及びその下地の基板の平面図を模式的に示している。 FIG. 6 is an explanatory diagram of the planar shape of the AGNR junction according to the second embodiment. FIGS. 6A to 6C schematically show plan views of the AGNR and its underlying substrate, respectively.

上記のように、7-AGNR30a及び7-AGNRジャンクション40aは、その合成が行われる基板50の平面形状(長さ及び幅)に応じた平面形状(長さ及び幅)で合成することができる。例えば、図6(A)に示すような平面L字形状の基板50を用いると、その上には、平面L字形状の7-AGNRジャンクション40aを合成することができる。例えば、図6(B)に示すような平面T字形状の基板50を用いると、その上には、平面T字形状の7-AGNRジャンクション40aを合成することができる。例えば、図6(C)に示すような平面I字形状の基板50を用いると、その上には、平面I字形状の7-AGNRジャンクション40aを合成することができる。基板50の平面形状を選択することで、その上に、各種平面形状の7-AGNRジャンクション40aを合成することができる。 As described above, the 7-AGNR 30a and the 7-AGNR junction 40a can be synthesized with a planar shape (length and width) corresponding to the planar shape (length and width) of the substrate 50 on which they are synthesized. For example, if a planar L-shaped substrate 50 as shown in FIG. 6A is used, a planar L-shaped 7-AGNR junction 40a can be synthesized thereon. For example, if a planar T-shaped substrate 50 as shown in FIG. 6B is used, a planar T-shaped 7-AGNR junction 40a can be synthesized thereon. For example, if a planar I-shaped substrate 50 as shown in FIG. 6C is used, a planar I-shaped 7-AGNR junction 40a can be synthesized thereon. By selecting the planar shape of the substrate 50, the 7-AGNR junction 40a with various planar shapes can be synthesized thereon.

また、このように基板50の平面形状によって7-AGNRジャンクション40aの平面形状が制御されるため、基板50の平面形状により、幅狭と幅広の部位を含む或いは半導体性と金属性の部位を含む7-AGNRジャンクション40aを合成することができる。 In addition, since the planar shape of the 7-AGNR junction 40a is controlled by the planar shape of the substrate 50 in this way, the planar shape of the substrate 50 includes narrow and wide portions or semiconducting and metallic portions. The 7-AGNR junction 40a can be synthesized.

次に、第3の実施の形態について説明する。
図7は第3の実施の形態に係る前駆体及びそれを用いたAGNR合成の説明図である。
この例では、図7に示すような前駆体10b、即ち、1,1’,4,4’,5,5’,8,8’-オクタクロロ-2,2’,3,3’,6,6’,7,7’-オクタフルオロ-10,10’-ジブロモ-9,9’-ビアントリル(1,1’,4,4’,5,5’,8,8’-octachloro-2,2’,3,3’,6,6’,7,7’-octafluoro-10,10’-dibromo-9,9’-bianthryl)が用いられる。この前駆体10bは、上記式(2)において、s=2、t=1、X=Br、Y=Cl、Z=Fとした構造を有する分子である。
Next, a third embodiment will be described.
FIG. 7 is an explanatory diagram of a precursor and AGNR synthesis using the precursor according to the third embodiment.
In this example, the precursor 10b as shown in FIG. 6',7,7'-octafluoro-10,10'-dibromo-9,9'-bianthryl (1,1',4,4',5,5',8,8'-octachloro-2,2 ',3,3',6,6',7,7'-octafluoro-10,10'-dibromo-9,9'-bianthryl) is used. This precursor 10b is a molecule having a structure in which s=2, t=1, X=Br, Y=Cl, and Z=F in the above formula (2).

図7に示すような前駆体10bが、所定の基板上に真空蒸着され、更に加熱が行われて、7-AGNR30bが合成される。
例えば、上記第2の実施の形態で述べたのと同様に、表面清浄処理が施されたAu(111)面上に、前駆体10bが蒸着される。前駆体10bは、上記前駆体10a(図1)に比べ、ベンゼン環の数が多く、分子量が大きくなるため、その昇華温度は高くなる。前駆体10bは、200℃~250℃に加熱されて昇華され、200℃~250℃に保持されたAu(111)面上に蒸着される。
A precursor 10b as shown in FIG. 7 is vacuum-deposited on a predetermined substrate and further heated to synthesize 7-AGNR30b.
For example, the precursor 10b is vapor-deposited on the Au (111) surface that has been subjected to the surface cleaning treatment in the same manner as described in the second embodiment. Since the precursor 10b has a larger number of benzene rings and a higher molecular weight than the precursor 10a (FIG. 1), its sublimation temperature is higher. The precursor 10b is heated to 200.degree. C. to 250.degree.

前駆体10bでは、基本骨格のビアントリルにBr原子、Cl原子、F原子が結合したC-Br結合、C-Cl結合、C-F結合のうち、前駆体10b同士の連結点となるC-Br結合の結合エネルギーが、他のC-Cl結合及びC-F結合の結合エネルギーに比べて低い。200℃~250℃のAu(111)面上に蒸着された前駆体10bでは、C-Br結合が切れることによるBr原子の脱離が起こる一方、C-Cl結合及びC-F結合が切れることによるCl原子及びF原子の脱離は抑えられる。200℃~250℃のAu(111)面上では、脱Br化及びC-C結合反応が誘起され、前駆体10bの分子中央の連結点で重合した、図7に示すようなポリマー鎖20bが安定的に合成される。200℃~250℃のAu(111)面上では、Cl原子及びF原子の脱離は抑えられ、前駆体10bとポリマー鎖20b、或いはポリマー鎖20b同士の、中央の連結点以外での結合は抑えられる。 In the precursor 10b, among the C—Br bonds, C—Cl bonds, and CF bonds in which Br atoms, Cl atoms, and F atoms are bonded to the basic skeleton of bianthryl, C—Br, which serves as a linking point between the precursors 10b The bond energy of the bond is lower than those of other C--Cl bonds and CF bonds. In the precursor 10b deposited on the Au(111) surface at 200° C. to 250° C., Br atoms are detached by breaking the C—Br bond, while the C—Cl and C—F bonds are broken. Detachment of Cl atoms and F atoms by is suppressed. On the Au(111) surface at 200° C. to 250° C., deBr and C—C bond reactions are induced to form polymer chains 20b as shown in FIG. Synthesized stably. On the Au (111) surface at 200° C. to 250° C., the elimination of Cl atoms and F atoms is suppressed, and the bonding between the precursor 10b and the polymer chain 20b, or between the polymer chains 20b other than at the central connection point is suppressed.

前駆体10bの基本骨格にはC-H結合が含まれず、ポリマー鎖20bの合成過程では、H原子の脱離及びそれによるCラジカルの発生が抑えられるため、ポリマー鎖20bは、長さ方向(合成する7-AGNR30bのリボン長方向P)に効果的に延伸される。ポリマー鎖20bの長さ(及び合成する7-AGNR30bのリボン長)は、例えば、その下地であるAu(111)面等の基板の平面形状(その長さ)によって制御される。 The basic skeleton of the precursor 10b does not contain a C—H bond, and in the process of synthesizing the polymer chain 20b, the elimination of H atoms and the resulting generation of C radicals are suppressed. The 7-AGNR30b to be synthesized is effectively stretched in the ribbon length direction P). The length of the polymer chain 20b (and the length of the ribbon of 7-AGNR30b to be synthesized) is controlled, for example, by the planar shape (its length) of the underlying substrate such as the Au (111) plane.

上記のようなポリマー鎖20bを合成する真空蒸着に続き、Au(111)面が、例えば、1℃/分~5℃/分の昇温速度で、300℃~350℃に昇温され、10分~1時間保持される。300℃~350℃のAu(111)面上に合成されたポリマー鎖20bでは、C-Cl結合が切れることによるCl原子の脱離が起こる一方、C-F結合が切れることによるF原子の脱離は抑えられる。300℃~350℃のAu(111)面上では、脱Cl化及びC-C結合反応が誘起され、ポリマー鎖20bの環化が進行する。これにより、図7に示すような、エッジがF原子で終端された、7-AGNR30bが安定的に合成される。300℃~350℃のAu(111)面上では、F原子の脱離は抑えられ、ポリマー鎖20b同士、ポリマー鎖20bと7-AGNR30b、或いは7-AGNR30b同士の、ランダムな結合、目的とする結合点以外での結合(リボン幅方向Qの接合)は抑えられる。 Following vacuum deposition to synthesize the polymer chain 20b as described above, the Au(111) surface is heated to 300° C.-350° C. at a heating rate of, for example, 1° C./min to 5° C./min. Holds from minutes to 1 hour. In the polymer chain 20b synthesized on the Au (111) surface at 300° C. to 350° C., the Cl atom is eliminated by breaking the C—Cl bond, while the F atom is eliminated by breaking the C—F bond. separation is suppressed. On the Au(111) surface at 300° C. to 350° C., deClification and C—C bond reactions are induced, and cyclization of the polymer chain 20b proceeds. As a result, 7-AGNR30b whose edges are terminated with F atoms, as shown in FIG. 7, is stably synthesized. On the Au (111) surface at 300 ° C. to 350 ° C., the elimination of F atoms is suppressed, and random bonding between polymer chains 20b, between polymer chains 20b and 7-AGNR30b, or between 7-AGNR30b. Bonding (bonding in the ribbon width direction Q) at points other than bonding points is suppressed.

前駆体10bを用いて合成される7-AGNR30bは、上記第2の実施の形態(図4)で述べたように、その下地であるAu(111)面等の基板の長さに応じたリボン長で合成される。 As described in the second embodiment (FIG. 4), 7-AGNR30b synthesized using the precursor 10b is a ribbon depending on the length of the underlying substrate such as the Au (111) plane. synthesized in length.

このように、前駆体10bを用いた7-AGNR30bの合成では、前駆体10bの基本骨格のビアントリルに結合したBr原子、Cl原子、F原子の脱離温度差が利用される。即ち、まず、脱離温度が最も低いBr原子の脱離及びC-C結合反応が、所定の温度の加熱で誘起され、長さ方向に延伸されたポリマー鎖20bが合成される。そして、脱離温度が中間のCl原子の脱離及びC-C結合反応が、より高温の加熱で誘起され、ポリマー鎖20bが環化され、7-AGNR30bが合成される。これにより、リボン長が長く、欠陥の発生が抑えられた7-AGNR30bが、安定的に合成される。 Thus, in the synthesis of 7-AGNR30b using the precursor 10b, the desorption temperature difference between the Br, Cl and F atoms bonded to the bianthryl of the basic skeleton of the precursor 10b is utilized. That is, first, desorption of the Br atom having the lowest desorption temperature and C—C bond reaction are induced by heating at a predetermined temperature to synthesize the polymer chain 20b elongated in the length direction. Then, the elimination of the Cl atom with the intermediate elimination temperature and the C—C bond reaction are induced by heating at a higher temperature, the polymer chain 20b is cyclized, and 7-AGNR30b is synthesized. As a result, 7-AGNR30b having a long ribbon length and suppressed occurrence of defects is stably synthesized.

上記のような7-AGNR30bを合成する加熱に続き、Au(111)面を更に高温で加熱すると、リボン幅方向Qに隣接する7-AGNR30b群がAu(111)面上に存在する場合、それらをリボン幅方向Qに接合させることができる。 Following the heating for synthesizing 7-AGNR30b as described above, when the Au (111) plane is further heated at a high temperature, if the 7-AGNR30b group adjacent to the ribbon width direction Q exists on the Au (111) plane, they can be joined in the ribbon width direction Q.

図8は第3の実施の形態に係るAGNRジャンクション合成の説明図である。
例えば、7-AGNR30bを合成する加熱に続き、Au(111)面が、400℃~450℃に昇温され、10分~1時間保持される。400℃~450℃のAu(111)面上に合成された7-AGNR30bでは、C-F結合が切れることによるF原子の脱離(脱F化)が起こる。400℃~450℃のAu(111)面上では、リボン長方向Pに平行に伸びる7-AGNR30b同士(図8の7-AGNR31b,32b)がリボン幅方向Qに隣接する場合、それらの間で、脱F化、及び脱F化されたC原子間のC-C結合反応が誘起される。これにより、7-AGNR30b同士がリボン幅方向Qに6員環接合されたAGNR(7-AGNRジャンクション)40bが合成される。ここでは一例として、平面L字形状の7-AGNRジャンクション40bを図示している。
FIG. 8 is an explanatory diagram of AGNR junction synthesis according to the third embodiment.
For example, following heating to synthesize 7-AGNR30b, the Au(111) surface is heated to 400° C. to 450° C. and held for 10 minutes to 1 hour. In the 7-AGNR30b synthesized on the Au (111) surface at 400° C. to 450° C., the F atom is eliminated (de-F) by breaking the C—F bond. On the Au (111) plane at 400 ° C. to 450 ° C., when the 7-AGNRs 30b extending parallel to the ribbon length direction P (7-AGNRs 31b and 32b in FIG. 8) are adjacent to each other in the ribbon width direction Q, , de-Fated, and C—C bond reactions between de-Fated C atoms are induced. As a result, an AGNR (7-AGNR junction) 40b is synthesized in which 7-AGNR 30b are six-membered ring-joined in the width direction Q of the ribbon. Here, as an example, a planar L-shaped 7-AGNR junction 40b is illustrated.

7-AGNRジャンクション40bは、上記第2の実施の形態(図5及び図6)で述べたように、その下地であるAu(111)面等の基板の平面形状に応じた平面形状で合成される。 As described in the second embodiment (FIGS. 5 and 6), the 7-AGNR junction 40b is synthesized with a planar shape corresponding to the planar shape of the underlying substrate such as the Au (111) plane. be.

次に、第4の実施の形態について説明する。
図9は第4の実施の形態に係る前駆体及びそれを用いたAGNR合成の説明図である。
この例では、図9に示すような前駆体10c、即ち、1,4,5,7,8,11,12,14-オクタクロロ-2,3,9,10-テトラフルオロ-6,13-ジブロモペンタセン(1,4,5,7,8,11,12,14-octachloro-2,3,9,10-tetrafluoro-6,13-dibromopentacene)が用いられる。この前駆体10cは、上記式(2)において、s=1、t=2、X=Br、Y=Cl、Z=Fとした構造を有する分子である。
Next, a fourth embodiment will be described.
FIG. 9 is an explanatory diagram of a precursor and AGNR synthesis using the precursor according to the fourth embodiment.
In this example, the precursor 10c as shown in FIG. Pentacene (1,4,5,7,8,11,12,14-octachloro-2,3,9,10-tetrafluoro-6,13-dibromopentacene) is used. This precursor 10c is a molecule having a structure in which s=1, t=2, X=Br, Y=Cl, and Z=F in the above formula (2).

図9に示すような前駆体10cが、所定の基板上に真空蒸着され、更に加熱が行われて、リボン幅方向QにC原子11個分相当の幅を持った、11-AGNR30cが合成される。 A precursor 10c as shown in FIG. 9 is vacuum-deposited on a predetermined substrate and further heated to synthesize 11-AGNR30c having a width corresponding to 11 C atoms in the ribbon width direction Q. be.

例えば、上記第2の実施の形態で述べたのと同様に、表面清浄処理が施されたAu(111)面上に、前駆体10cが蒸着される。前駆体10cは、200℃~250℃に加熱されて昇華され、200℃~250℃に保持されたAu(111)面上に蒸着される。 For example, the precursor 10c is vapor-deposited on the Au (111) surface that has undergone surface cleaning treatment in the same manner as described in the second embodiment. The precursor 10c is sublimated by heating to 200.degree. C. to 250.degree.

前駆体10cでは、基本骨格のペンタセンにBr原子、Cl原子、F原子が結合したC-Br結合、C-Cl結合、C-F結合のうち、前駆体10c同士の連結点となるC-Br結合の結合エネルギーが、他のC-Cl結合及びC-F結合の結合エネルギーに比べて低い。200℃~250℃のAu(111)面上に蒸着された前駆体10cでは、C-Br結合が切れることによるBr原子の脱離が起こる一方、C-Cl結合及びC-F結合が切れることによるCl原子及びF原子の脱離は抑えられる。200℃~250℃のAu(111)面上では、脱Br化及びC-C結合反応が誘起され、前駆体10cの分子中央の連結点で重合した、図9に示すようなポリマー鎖20cが安定的に合成される。200℃~250℃のAu(111)面上では、Cl原子及びF原子の脱離は抑えられ、前駆体10cとポリマー鎖20c、或いはポリマー鎖20c同士の、中央の連結点以外での結合は抑えられる。 In the precursor 10c, among the C—Br bonds, C—Cl bonds, and CF bonds in which Br atoms, Cl atoms, and F atoms are bonded to the pentacene of the basic skeleton, C—Br, which serves as a connecting point between the precursors 10c The bond energy of the bond is lower than those of other C--Cl bonds and CF bonds. In the precursor 10c deposited on the Au(111) surface at 200° C. to 250° C., the C—Cl and C—F Detachment of Cl atoms and F atoms by is suppressed. On the Au(111) surface at 200° C. to 250° C., deBr and C—C bond reactions are induced to form polymer chains 20c as shown in FIG. Synthesized stably. On the Au (111) surface at 200° C. to 250° C., the elimination of Cl atoms and F atoms is suppressed, and the bonding between the precursor 10c and the polymer chain 20c or between the polymer chains 20c other than at the central connection point is suppressed.

前駆体10cの基本骨格にはC-H結合が含まれず、ポリマー鎖20cの合成過程では、H原子の脱離及びそれによるCラジカルの発生が抑えられるため、ポリマー鎖20cは、長さ方向(合成する11-AGNR30cのリボン長方向P)に効果的に延伸される。ポリマー鎖20cの長さ(及び合成する11-AGNR30cのリボン長)は、例えば、その下地であるAu(111)面等の基板の平面形状(その長さ)によって制御される。 The basic skeleton of the precursor 10c does not contain a C—H bond, and in the process of synthesizing the polymer chain 20c, the elimination of H atoms and the resulting generation of C radicals are suppressed. The 11-AGNR30c to be synthesized is effectively stretched in the ribbon length direction P). The length of the polymer chain 20c (and the length of the ribbon of 11-AGNR30c to be synthesized) is controlled, for example, by the planar shape (its length) of the underlying substrate such as the Au (111) plane.

上記のようなポリマー鎖20cを合成する真空蒸着に続き、Au(111)面が、例えば、1℃/分~5℃/分の昇温速度で、300℃~350℃に昇温され、10分~1時間保持される。300℃~350℃のAu(111)面上に合成されたポリマー鎖20bでは、C-Cl結合が切れることによるCl原子の脱離が起こる一方、C-F結合が切れることによるF原子の脱離は抑えられる。300℃~350℃のAu(111)面上では、脱Cl化及びC-C結合反応が誘起され、ポリマー鎖20cの環化が進行する。これにより、図9に示すような、エッジがF原子で終端された、11-AGNR30cが安定的に合成される。300℃~350℃のAu(111)面上では、F原子の脱離は抑えられ、ポリマー鎖20c同士、ポリマー鎖20cと11-AGNR30c、或いは11-AGNR30c同士の、ランダムな結合、目的とする結合点以外での結合(リボン幅方向Qの接合)は抑えられる。 Following vacuum deposition to synthesize the polymer chain 20c as described above, the Au(111) surface is heated to 300° C.-350° C. at a heating rate of, for example, 1° C./min to 5° C./min. Holds from minutes to 1 hour. In the polymer chain 20b synthesized on the Au (111) surface at 300° C. to 350° C., the Cl atom is eliminated by breaking the C—Cl bond, while the F atom is eliminated by breaking the C—F bond. separation is suppressed. On the Au(111) surface at 300° C. to 350° C., deClification and C—C bond reactions are induced, and cyclization of the polymer chain 20c proceeds. As a result, 11-AGNR30c whose edges are terminated with F atoms, as shown in FIG. 9, is stably synthesized. On the Au (111) surface at 300 ° C. to 350 ° C., the elimination of F atoms is suppressed, and random bonding between polymer chains 20c, between polymer chains 20c and 11-AGNR30c, or between 11-AGNR30c. Bonding (bonding in the ribbon width direction Q) at points other than bonding points is suppressed.

前駆体10cを用いて合成される11-AGNR30cは、上記第2の実施の形態(図4)で述べたように、その下地であるAu(111)面等の基板の長さに応じたリボン長で合成される。 11-AGNR30c synthesized using the precursor 10c, as described in the second embodiment (FIG. 4), is a ribbon corresponding to the length of the underlying substrate such as the Au (111) plane. synthesized in length.

このように、前駆体10cを用いた11-AGNR30cの合成では、前駆体10cの基本骨格のペンタセンに結合したBr原子、Cl原子、F原子の脱離温度差が利用される。即ち、まず、脱離温度が最も低いBr原子の脱離及びC-C結合反応が、所定の温度の加熱で誘起され、長さ方向に延伸されたポリマー鎖20cが合成される。そして、脱離温度が中間のCl原子の脱離及びC-C結合反応が、より高温の加熱で誘起され、ポリマー鎖20cが環化され、11-AGNR30cが合成される。これにより、リボン長が長く、欠陥の発生が抑えられた11-AGNR30cが、安定的に合成される。 Thus, in the synthesis of 11-AGNR30c using the precursor 10c, the desorption temperature difference of the Br, Cl, and F atoms bonded to the pentacene of the basic skeleton of the precursor 10c is utilized. That is, first, desorption of the Br atom, which has the lowest desorption temperature, and a C—C bond reaction are induced by heating at a predetermined temperature to synthesize the polymer chain 20c elongated in the length direction. Then, the elimination of the Cl atom with the intermediate elimination temperature and the C—C bond reaction are induced by heating at a higher temperature, the polymer chain 20c is cyclized, and 11-AGNR30c is synthesized. As a result, 11-AGNR30c having a long ribbon length and suppressed occurrence of defects is stably synthesized.

上記のような11-AGNR30cを合成する加熱に続き、Au(111)面を更に高温で加熱すると、リボン幅方向Qに隣接する11-AGNR30c群がAu(111)面上に存在する場合、それらをリボン幅方向Qに接合させることができる。 Following the heating for synthesizing 11-AGNR30c as described above, when the Au (111) plane is further heated at a high temperature, if the 11-AGNR30c group adjacent to the ribbon width direction Q exists on the Au (111) plane, they can be joined in the ribbon width direction Q.

図10は第4の実施の形態に係るAGNRジャンクション合成の説明図である。
例えば、11-AGNR30cを合成する加熱に続き、Au(111)面が、400℃~450℃に昇温され、10分~1時間保持される。400℃~450℃のAu(111)面上に合成された11-AGNR30cでは、C-F結合が切れることによるF原子の脱離が起こる。400℃~450℃のAu(111)面上では、リボン長方向Pに平行に伸びる11-AGNR30c同士(図10の11-AGNR31c,32c)がリボン幅方向Qに隣接する場合、それらの間で、脱F化及びC-C結合反応が誘起される。これにより、11-AGNR30c同士がリボン幅方向Qに6員環接合されたAGNR(11-AGNRジャンクション)40cが合成される。ここでは一例として、平面L字形状の11-AGNRジャンクション40cを図示している。
FIG. 10 is an explanatory diagram of AGNR junction synthesis according to the fourth embodiment.
For example, following heating to synthesize 11-AGNR30c, the Au(111) surface is heated to 400° C. to 450° C. and held for 10 minutes to 1 hour. In 11-AGNR30c synthesized on the Au (111) surface at 400° C. to 450° C., the F atom is eliminated by breaking the C—F bond. On the Au (111) plane at 400 ° C. to 450 ° C., when the 11-AGNRs 30c extending parallel to the ribbon length direction P (11-AGNRs 31c and 32c in FIG. 10) are adjacent to each other in the ribbon width direction Q, , de-F and C—C bond reactions are induced. As a result, an AGNR (11-AGNR junction) 40c in which 11-AGNR 30c are six-membered ring-joined in the ribbon width direction Q is synthesized. Here, as an example, the plane L-shaped 11-AGNR junction 40c is illustrated.

11-AGNRジャンクション40cは、上記第2の実施の形態(図5及び図6)で述べたように、その下地であるAu(111)面等の基板の平面形状に応じた平面形状で合成される。 As described in the second embodiment (FIGS. 5 and 6), the 11-AGNR junction 40c is synthesized with a planar shape corresponding to the planar shape of the underlying substrate such as the Au (111) plane. be.

次に、第5の実施の形態について説明する。
上記のような前駆体を用いて合成されるAGNRを、半導体装置に用いる例を、第5の実施の形態として説明する。ここでは、半導体装置として、ソース及びドレインとなる一対の電極間をAGNRで繋ぐ、即ち、AGNRをチャネルに用いる電界効果トランジスタ(Field Effect Transistor;FET)を例にする。
Next, a fifth embodiment will be described.
An example in which AGNR synthesized using the above precursor is used in a semiconductor device will be described as a fifth embodiment. Here, as a semiconductor device, a field effect transistor (FET) in which a pair of electrodes serving as a source and a drain are connected by AGNR, that is, a field effect transistor (FET) using AGNR as a channel is taken as an example.

図11~図16は第5の実施の形態に係る半導体装置の製造方法の説明図である。以下、図11~図16を参照して順に説明する。
図11は金属層形成工程の一例を示す図であって、(A)は平面模式図、(B)は(A)のL11-L11断面模式図である。
11 to 16 are explanatory diagrams of the method for manufacturing a semiconductor device according to the fifth embodiment. Hereinafter, description will be made in order with reference to FIGS. 11 to 16. FIG.
11A and 11B are diagrams showing an example of a metal layer forming process, in which (A) is a schematic plan view and (B) is a schematic cross-sectional view taken along line L11-L11 of (A).

まず、図11(A)及び図11(B)に示すように、絶縁基板110上に金属層120を形成し、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120をパターニングする。 First, as shown in FIGS. 11A and 11B, a metal layer 120 is formed on an insulating substrate 110 and patterned by electron beam lithography and dry etching.

ここで、絶縁基板110には、例えば、劈開して清浄表面を出したマイカ基板が用いられる。絶縁基板110は、絶縁性と平坦な結晶表面を有するものであれば特に限定されるものではない。絶縁基板110には、マイカ基板のほか、c面サファイア結晶基板、酸化マグネシウム(MgO)結晶基板等が用いられてもよい。ここでは、絶縁基板110として、劈開されたマイカ基板を用いる場合を例にする。 Here, for the insulating substrate 110, for example, a mica substrate which is cleaved to expose a clean surface is used. The insulating substrate 110 is not particularly limited as long as it has insulating properties and a flat crystal surface. The insulating substrate 110 may be a mica substrate, a c-plane sapphire crystal substrate, a magnesium oxide (MgO) crystal substrate, or the like. Here, a case where a cleaved mica substrate is used as the insulating substrate 110 is taken as an example.

絶縁基板110上には、金属層120が形成される。金属層120は、後述のようにAGNR又はAGNRジャンクションが合成される際の下地となる層である。例えば、絶縁基板110であるマイカ基板の劈開面上に、金属層120として、Auが、蒸着法により、10nm~50nmの膜厚で蒸着、堆積される。金属層120としてAuが蒸着される場合、Au(111)面の配向性を向上させるため、絶縁基板110が400℃~550℃に加熱される。金属層120には、Auのほか、Cu、Ni、Rh、Pd、Ag、Ir、Pt等が用いられてもよい。適宜、絶縁基板110の種類を選択することで、これらの金属を用いた金属層120のエピタキシャル結晶面が得られる。 A metal layer 120 is formed on the insulating substrate 110 . The metal layer 120 is the underlying layer for synthesizing AGNR or AGNR junctions as described later. For example, Au is vapor-deposited and deposited as the metal layer 120 to a film thickness of 10 nm to 50 nm on the cleaved surface of the mica substrate, which is the insulating substrate 110 . When Au is deposited as the metal layer 120, the insulating substrate 110 is heated to 400° C. to 550° C. to improve the orientation of the Au (111) plane. In addition to Au, Cu, Ni, Rh, Pd, Ag, Ir, Pt, or the like may be used for the metal layer 120 . By appropriately selecting the type of the insulating substrate 110, an epitaxial crystal plane of the metal layer 120 using these metals can be obtained.

次いで、絶縁基板110上に形成された金属層120がパターニングされる。上記のような前駆体の、ハロゲン原子等のX基、Y基及びZ基の脱離、及び脱離後に起こるC-C結合反応は、絶縁基板110上では効果的に誘起されない。そのため、金属層120がパターニングされ、パターニングされた金属層120の位置及び平面形状によって、その上に合成されるAGNR又はAGNRジャンクションの位置及び平面形状が制御される。AGNRは、リボン幅の増加に伴って半導体性から金属性へと物性が変化する。AGNRをFETに用いる場合には、ソース及びドレインとなる一対の電極との接続領域は金属性、間のチャネル領域は半導体性、即ち、金属性/半導体性/金属性という物性を示すAGNRジャンクションが合成されるように、金属層120の位置及び平面形状が設計される。例えば、図11(A)に示すように、幅W1の一対の幅広領域121と、この一対の幅広領域121間の、幅W1よりも狭い幅W2の幅狭領域122とを有するように、金属層120の位置及び平面形状が設計される。例えば、幅W1は、50nm以上とされ、幅W2は、1nm~5nmとされる。幅狭領域122の長さLは、合成されるAGNRジャンクションの半導体性領域の長さ、即ち、形成されるFETのチャネル長を決定する。例えば、長さLは、100nm~500nmとされる。 The metal layer 120 formed on the insulating substrate 110 is then patterned. The elimination of the X, Y and Z groups such as halogen atoms of the precursor as described above and the C—C bond reaction that occurs after the elimination are not effectively induced on the insulating substrate 110 . Therefore, the metal layer 120 is patterned, and the position and planar shape of the patterned metal layer 120 control the position and planar shape of the AGNR or AGNR junction synthesized thereon. AGNR changes in physical properties from semiconducting to metallic with increasing ribbon width. When AGNR is used in an FET, the connection region between the pair of electrodes, which are the source and the drain, is metallic, and the channel region between them is semiconducting. The position and planar shape of the metal layer 120 are designed so as to be synthesized. For example, as shown in FIG. 11(A), a pair of wide regions 121 having a width W1 and a narrow region 122 having a width W2 narrower than the width W1 are formed between the pair of wide regions 121. The position and planar shape of layer 120 are designed. For example, the width W1 is set to 50 nm or more, and the width W2 is set to 1 nm to 5 nm. The length L of narrow region 122 determines the length of the semiconducting region of the synthesized AGNR junction, ie, the channel length of the resulting FET. For example, the length L is set to 100 nm to 500 nm.

所定の位置及び平面形状に金属層120をパターニングする際には、まず、電子線レジスト等のレジスト材料がスピンコート法等により形成され、金属層120をエッチングするためのマスクパターンが形成される。これをマスクにして、Arイオンミリング等によりエッチング処理が施され、図11(A)に示すようなパターンの金属層120が形成される。 When patterning the metal layer 120 to a predetermined position and planar shape, first, a resist material such as an electron beam resist is formed by spin coating or the like, and a mask pattern for etching the metal layer 120 is formed. Using this as a mask, etching is performed by Ar ion milling or the like to form a metal layer 120 having a pattern as shown in FIG. 11(A).

図12はAGNRジャンクション合成工程の一例を示す図であって、(A)は平面模式図、(B)は(A)のL12-L12断面模式図である。また、図13はAGNRジャンクションの一例を示す図であって、図12のX部の拡大模式図である。 FIG. 12 is a diagram showing an example of the AGNR junction synthesizing process, in which (A) is a schematic plan view and (B) is a schematic cross-sectional view taken along line L12-L12 of (A). Also, FIG. 13 is a diagram showing an example of the AGNR junction, and is an enlarged schematic diagram of the X portion of FIG.

金属層120のパターニング後、図12(A)及び図12(B)に示すように、金属層120上にAGNRジャンクション130が合成される。
AGNRジャンクション130を合成する際には、例えば、上記第2~第4の実施の形態で述べたのと同様にして、絶縁基板110上の金属層120の表面清浄処理が行われる。この表面清浄処理により、金属層120の表面に付着したレジスト残渣(有機系コンタミ)が除去されるほか、金属層120の結晶面の平坦性が高められる。表面清浄処理が施された金属層120を大気中に曝すことなく、超高真空の真空槽内で、その金属層120上にAGNRジャンクション130がin-situで合成される。
After patterning the metal layer 120, an AGNR junction 130 is synthesized on the metal layer 120 as shown in FIGS. 12A and 12B.
When synthesizing the AGNR junction 130, for example, the surface of the metal layer 120 on the insulating substrate 110 is cleaned in the same manner as described in the second to fourth embodiments. This surface cleaning treatment removes resist residues (organic contaminants) adhering to the surface of the metal layer 120 and improves the flatness of the crystal plane of the metal layer 120 . The AGNR junction 130 is synthesized in-situ on the metal layer 120 in an ultra-high vacuum chamber without exposing the surface-cleaned metal layer 120 to the atmosphere.

AGNRジャンクション130の合成には、上記第1の実施の形態(及び第2~第4の実施の形態)で述べたような、式(2)のような構造を有する前駆体が用いられる。前駆体を金属層120上に蒸着する際には、金属層120上で前駆体が二次元最密充填構造をとるように、蒸着膜厚が1ML~1.5MLとされる。金属層120上に蒸着された前駆体に対し、まず、その芳香環のC原子に結合したX基の脱離温度以上で、且つ、Y基及びZ基の脱離温度未満の条件で加熱が行われ、X基の脱離及びC-C結合反応により、前駆体の重合体、即ち、ポリマー鎖が合成される。次いで、Y基の脱離温度以上で、且つ、Z基の脱離温度未満の条件で加熱が行われ、Y基の脱離及びC-C結合反応により、ポリマー鎖の環化、即ち、AGNRが合成される。次いで、Z基の脱離温度以上の条件で加熱が行われ、Z基の脱離及びC-C結合反応により、隣接するAGNR同士の6員環接合体、即ち、AGNRジャンクション130が合成される。 Synthesis of the AGNR junction 130 uses a precursor having a structure like formula (2) as described in the first embodiment (and the second to fourth embodiments). When the precursor is deposited on the metal layer 120, the deposited film thickness is set to 1 ML to 1.5 ML so that the precursor has a two-dimensional close-packed structure on the metal layer 120. FIG. First, the precursor vapor-deposited on the metal layer 120 is heated at a temperature higher than the desorption temperature of the X group bonded to the C atom of the aromatic ring and lower than the desorption temperature of the Y group and the Z group. A precursor polymer, ie, a polymer chain, is synthesized by elimination of the X group and a CC bond reaction. Then, heating is performed at a condition equal to or higher than the elimination temperature of the Y group and lower than the elimination temperature of the Z group, and the elimination of the Y group and the CC bond reaction cause cyclization of the polymer chain, that is, AGNR. is synthesized. Next, heating is performed under conditions equal to or higher than the elimination temperature of the Z group, and the elimination of the Z group and the C—C bond reaction synthesize a six-membered ring conjugate between adjacent AGNRs, that is, the AGNR junction 130. .

このように、式(2)のような構造を有する前駆体が用いられ、所定の平面形状の金属層120上でポリマー鎖、AGNR及びAGNRジャンクション130の合成が行われることで、金属層120の平面形状に応じた平面形状を有するAGNRジャンクション130が合成される。即ち、金属層120の幅広領域121上には、図12及び図13に示すような比較的幅広のAGNRジャンクション部131が合成され、金属層120の幅狭領域122上には、図12及び図13に示すような比較的幅狭のAGNRジャンクション部132が合成される。金属層120の幅広領域121及び幅狭領域122を、それぞれ所定の幅W1及び幅W2(<W1)で形成しておくことで(図11)、AGNRジャンクション部131が金属性を示すような幅で合成され、AGNRジャンクション部132が半導体性を示すような幅で合成される。これにより、一対の金属性のAGNRジャンクション部131と、その間の半導体性のAGNRジャンクション部132とを有するAGNRジャンクション130が、金属層120上に合成される。 In this way, a precursor having a structure as represented by formula (2) is used to synthesize polymer chains, AGNR, and AGNR junctions 130 on the metal layer 120 having a predetermined planar shape, thereby forming the metal layer 120. An AGNR junction 130 having a planar shape corresponding to the planar shape is synthesized. That is, a relatively wide AGNR junction portion 131 as shown in FIGS. 12 and 13 is synthesized on the wide region 121 of the metal layer 120, and a relatively wide AGNR junction portion 131 is synthesized on the narrow region 122 of the metal layer 120 in FIGS. A relatively narrow AGNR junction 132 as shown at 13 is synthesized. By forming the wide region 121 and the narrow region 122 of the metal layer 120 with predetermined widths W1 and W2 (<W1), respectively (FIG. 11), the AGNR junction portion 131 has a width that exhibits metallicity. , and is synthesized with a width such that the AGNR junction portion 132 exhibits semiconductor properties. Thereby, an AGNR junction 130 having a pair of metallic AGNR junction portions 131 and a semiconducting AGNR junction portion 132 therebetween is synthesized on the metal layer 120 .

図14は電極形成工程の一例を示す図であって、(A)は平面模式図、(B)は(A)のL14-L14断面模式図である。
AGNRジャンクション130の合成後、図14(A)及び図14(B)に示すように、その両端部の金属性のAGNRジャンクション部131上にそれぞれ、ソース及びドレインとして用いられる電極140a及び電極140bが形成される。
14A and 14B are diagrams showing an example of the electrode forming process, in which (A) is a schematic plan view and (B) is a schematic cross-sectional view taken along line L14-L14 of (A).
After synthesizing the AGNR junction 130, as shown in FIGS. 14A and 14B, electrodes 140a and 140b used as a source and a drain are formed on the metallic AGNR junction portions 131 at both ends thereof. It is formed.

電極140a及び電極140bを形成する際には、例えば、電子線リソグラフィ、電極材料の蒸着、及びリフトオフが行われ、AGNRジャンクション130の両端部の、金属性のAGNRジャンクション部131上に、電極140a及び電極140bが形成される。電極140a及び電極140bにはそれぞれ、例えば、チタン(Ti)層とその上に積層されたクロム(Cr)層とを有する2層構造(Cr/Ti)の電極が用いられる。金属性のAGNRジャンクション部131上に電極140a及び電極140bが形成されることで、これらの間のコンタクト抵抗の低減が図られる。 When forming the electrodes 140a and 140b, for example, electron beam lithography, vapor deposition of electrode materials, and lift-off are performed to form the electrodes 140a and 140b on the metallic AGNR junction portions 131 at both ends of the AGNR junction 130. An electrode 140b is formed. For the electrodes 140a and 140b, for example, electrodes with a two-layer structure (Cr/Ti) having a titanium (Ti) layer and a chromium (Cr) layer laminated thereon are used. By forming the electrodes 140a and 140b on the metallic AGNR junction portion 131, the contact resistance therebetween can be reduced.

Cr/Tiの電極140a及び電極140bの形成では、まず、電子線リソグラフィにより、2層レジスト等で、電極形成用のレジストパターンが形成され、次いで、Ti及びCrが順次、蒸着法により堆積される。例えば、Tiの膜厚は0.5nm~1nmとされ、Crの膜厚は30nm~50nmとされる。Ti及びCrの蒸着後、リフトオフにより、レジストパターン並びにその上に堆積されたTi及びCrが除去される。これにより、AGNRジャンクション130の両端部の、金属性のAGNRジャンクション部131上に、電極140a及び電極140bが形成される。 In forming the Cr/Ti electrodes 140a and 140b, first, a resist pattern for electrode formation is formed with a two-layer resist or the like by electron beam lithography, and then Ti and Cr are sequentially deposited by vapor deposition. . For example, the film thickness of Ti is set to 0.5 nm to 1 nm, and the film thickness of Cr is set to 30 nm to 50 nm. After deposition of Ti and Cr, lift-off removes the resist pattern and the Ti and Cr deposited thereon. As a result, the electrodes 140 a and 140 b are formed on the metallic AGNR junction portions 131 at both ends of the AGNR junction 130 .

尚、AGNRジャンクション130の中間部に位置する半導体性のAGNRジャンクション部132下の金属層120は、後述のように、ウェットエッチングにより除去される。そのため、ここで形成される電極140a及び電極140bは、金属層120に対して十分なエッチング選択比を有していることが望ましい。金属層120にAuが用いられ、ウェットエッチングのエッチャントに後述のようなヨウ化カリウム(KI)水溶液が用いられる場合、KI水溶液に対して十分なエッチング耐性のあるCr/Tiは、電極140a及び電極140bの材料として好適である。 The metal layer 120 under the semiconducting AGNR junction portion 132 located in the middle portion of the AGNR junction 130 is removed by wet etching as described later. Therefore, it is desirable that the electrodes 140 a and 140 b formed here have a sufficient etching selectivity with respect to the metal layer 120 . When Au is used for the metal layer 120 and a potassium iodide (KI) aqueous solution as described later is used as an etchant for wet etching, Cr/Ti, which has sufficient etching resistance to the KI aqueous solution, is used for the electrode 140a and the electrode. It is suitable as a material for 140b.

図15はゲートスタック構造形成工程の一例を示す図であって、(A)は平面模式図、(B)は(A)のL15-L15断面模式図である。
電極140a及び電極140bの形成後、図15(A)及び図15(B)に示すように、AGNRジャンクション130の中間部に位置する半導体性のAGNRジャンクション部132上に、ゲート絶縁層150及びゲート電極160の積層体であるゲートスタック構造が形成される。例えば、上記電極140a及び電極140bの形成と同様に、電子線リソグラフィ、絶縁材料及び電極材料の蒸着、及びリフトオフが行われ、ゲート絶縁層150及びゲート電極160のゲートスタック構造が形成される。
15A and 15B are diagrams showing an example of a gate stack structure forming process, in which FIG. 15A is a schematic plan view, and FIG. 15B is a schematic cross-sectional view taken along line L15-L15 of FIG.
After forming the electrodes 140a and 140b, as shown in FIGS. 15A and 15B, a gate insulating layer 150 and a gate insulating layer 150 are formed on the semiconducting AGNR junction 132 located in the middle of the AGNR junction 130. As shown in FIGS. A gate stack structure, which is a stack of electrodes 160, is formed. For example, electron beam lithography, vapor deposition of insulating and electrode materials, and lift-off similar to the formation of electrodes 140a and 140b described above are performed to form a gate stack structure of gate insulating layer 150 and gate electrode 160. FIG.

ゲートスタック構造の形成では、まず、電子線リソグラフィにより、2層レジスト等で、ゲートスタック構造形成用のレジストパターンが形成される。例えば、ゲート電極160のゲート長は、50nmに設計される。ここで、AGNRジャンクション130の中間部に位置する半導体性のAGNRジャンクション部132下の金属層120は、後述のように、ウェットエッチングにより除去される。そのため、形成されるゲートスタック構造と、電極140a及び電極140bとの間に、ウェットエッチングのエッチャントが浸入できる隙間170が形成されるように、ゲートスタック構造形成用のレジストパターンが形成される。 In forming the gate stack structure, first, a resist pattern for forming the gate stack structure is formed using a two-layer resist or the like by electron beam lithography. For example, the gate length of the gate electrode 160 is designed to be 50 nm. Here, the metal layer 120 under the semiconducting AGNR junction portion 132 located in the middle portion of the AGNR junction 130 is removed by wet etching as described later. Therefore, a resist pattern for forming the gate stack structure is formed so that a gap 170 into which an etchant for wet etching can enter is formed between the gate stack structure to be formed and the electrodes 140a and 140b.

次いで、形成されたレジストパターン上に、ゲート絶縁層150の絶縁材料及びゲート電極160の電極材料が順次、蒸着法により堆積される。例えば、ゲート絶縁層150として、膜厚が5nm~10nmの酸化イットリウム(Y)が堆積される。真空槽内に、酸素(O)ガスを導入しながらイットリウム(Y)金属を蒸着することで、Yが形成される。ゲート絶縁層150には、Yのほか、それと同様のOガスを導入する蒸着法により、酸化シリコン(SiO)、酸化ハフニウム(HfO)、酸化ジルコニウム(ZrO)、酸化ランタン(La)、酸化チタン(TiO)等が用いられてもよい。また、ゲート電極160としては、電極140a及び電極140bと同様の膜厚でCr/Tiが堆積される。 Next, an insulating material for the gate insulating layer 150 and an electrode material for the gate electrode 160 are sequentially deposited on the formed resist pattern by vapor deposition. For example, yttrium oxide (Y 2 O 3 ) with a thickness of 5 nm to 10 nm is deposited as the gate insulating layer 150 . Y 2 O 3 is formed by depositing yttrium (Y) metal in a vacuum chamber while introducing oxygen (O 2 ) gas. Silicon oxide (SiO 2 ), hafnium oxide (HfO 2 ), zirconium oxide (ZrO 2 ), lanthanum oxide (ZrO 2 ), and lanthanum oxide are deposited on the gate insulating layer 150 by a vapor deposition method that introduces Y 2 O 3 and similar O 2 gas. (La 2 O 3 ), titanium oxide (TiO 2 ), etc. may be used. Also, as the gate electrode 160, Cr/Ti is deposited with the same film thickness as the electrodes 140a and 140b.

尚、ゲート絶縁層150の絶縁材料及びゲート電極160の電極材料は、半導体性のAGNRジャンクション部132下の金属層120を後述のようにウェットエッチングで除去する際のエッチャントに対して十分なエッチング耐性を有することが望ましい。金属層120にAuが用いられ、ウェットエッチングのエッチャントに後述のようなKI水溶液が用いられる場合、上記絶縁材料及び電極材料は、KI水溶液に対して十分なエッチング耐性を有し、ゲート絶縁層150及びゲート電極160の材料として好適である。 The insulating material of the gate insulating layer 150 and the electrode material of the gate electrode 160 have sufficient etching resistance against an etchant when removing the metal layer 120 under the semiconducting AGNR junction portion 132 by wet etching as described later. It is desirable to have When Au is used for the metal layer 120 and a KI aqueous solution as described later is used as an etchant for wet etching, the insulating material and the electrode material have sufficient etching resistance to the KI aqueous solution, and the gate insulating layer 150 and as a material for the gate electrode 160 .

レジストパターン上へのゲート絶縁層150の絶縁材料及びゲート電極160の電極材料の堆積後、リフトオフにより、レジストパターン並びにその上に堆積された絶縁材料及び電極材料が除去される。これにより、AGNRジャンクション130の中間部に位置する、半導体性のAGNRジャンクション部132上に、電極140a及び電極140bから離間して、ゲート絶縁層150及びゲート電極160が形成される。 After depositing the insulating material of the gate insulating layer 150 and the electrode material of the gate electrode 160 on the resist pattern, the resist pattern and the insulating material and electrode material deposited thereon are removed by lift-off. As a result, the gate insulating layer 150 and the gate electrode 160 are formed on the semiconducting AGNR junction portion 132 located in the intermediate portion of the AGNR junction 130, spaced apart from the electrodes 140a and 140b.

図16はウェットエッチング工程の一例を示す図であって、(A)は平面模式図、(B)は(A)のL16-L16断面模式図である。
ゲート絶縁層150及びゲート電極160の形成後、図16(A)及び図16(B)に示すように、AGNRジャンクション130下の金属層120の一部が、ウェットエッチングにより除去される。
16A and 16B are diagrams showing an example of the wet etching process, in which (A) is a schematic plan view and (B) is a schematic cross-sectional view taken along line L16-L16 of (A).
After forming the gate insulating layer 150 and the gate electrode 160, a portion of the metal layer 120 under the AGNR junction 130 is removed by wet etching, as shown in FIGS. 16A and 16B.

例えば、前述のように、金属層120にAuが用いられる場合、ウェットエッチングのエッチャントには、KI水溶液が用いられる。ゲート絶縁層150及びゲート電極160のゲートスタック構造と、電極140a及び電極140bとの間には、隙間170が形成されており、この隙間170からエッチャントが浸入し、AGNRジャンクション130下の金属層120の一部が除去される。その際は、金属層120のうち、少なくとも半導体性のAGNRジャンクション部132下の金属層120が除去されるように、ウェットエッチングが行われる。このように金属層120の一部が除去されることで、AGNRジャンクション130下に空洞180が形成される。 For example, as described above, when Au is used for the metal layer 120, a KI aqueous solution is used as an etchant for wet etching. A gap 170 is formed between the gate stack structure of the gate insulating layer 150 and the gate electrode 160 and the electrodes 140a and 140b. part of is removed. At that time, wet etching is performed so that at least the metal layer 120 below the semiconducting AGNR junction portion 132 of the metal layer 120 is removed. A cavity 180 is formed under the AGNR junction 130 by removing a portion of the metal layer 120 in this manner.

金属層120の除去後は、例えば、純水による洗浄、イソプロピルアルコールによるリンス処理が順次行われる。その後、洗浄及びリンス処理に用いた溶液の表面張力や毛管力によるAGNRジャンクション130の切断を抑えるため、二酸化炭素(CO)ガスを用いた超臨界乾燥処理が行われる。 After removing the metal layer 120, for example, cleaning with pure water and rinsing with isopropyl alcohol are sequentially performed. After that, a supercritical drying process using carbon dioxide (CO 2 ) gas is performed in order to prevent the AGNR junction 130 from being cut by the surface tension and capillary force of the solutions used in the cleaning and rinsing processes.

以上のような工程を経て、図16(A)及び図16(B)に示すような、一対の電極140a及び電極140bとゲート絶縁層150によってサスペンデッドされたAGNRジャンクション130を用いたFETを備える半導体装置100が得られる。 Through the steps described above, a semiconductor comprising an FET using an AGNR junction 130 suspended by a pair of electrodes 140a and 140b and a gate insulating layer 150 as shown in FIGS. A device 100 is obtained.

この半導体装置100では、AGNRジャンクション130における中間部の半導体性のAGNRジャンクション部132がチャネルとして用いられ、両端部の金属性のAGNRジャンクション部131にそれぞれ電極140a及び電極140bが接続される。ゲート電極160の電位が制御されることで、電極140aと電極140bとの間を繋ぐ半導体性のAGNRジャンクション部132、即ちチャネルのオンオフが制御される。AGNRの高いキャリア移動度を活かした、高速、高性能の半導体装置100が実現される。 In this semiconductor device 100, a semiconducting AGNR junction portion 132 in the middle portion of the AGNR junction 130 is used as a channel, and electrodes 140a and 140b are connected to the metallic AGNR junction portions 131 at both ends, respectively. By controlling the potential of the gate electrode 160, the on/off of the semiconducting AGNR junction 132 connecting the electrodes 140a and 140b, that is, the channel is controlled. A high-speed, high-performance semiconductor device 100 that takes advantage of the high carrier mobility of AGNR is realized.

次に、第6の実施の形態について説明する。
ここでは、上記のような前駆体を用いて合成されるAGNRを、半導体装置に用いる別の例を、第6の実施の形態として説明する。
Next, a sixth embodiment will be described.
Here, another example in which AGNR synthesized using the above precursor is used for a semiconductor device will be described as a sixth embodiment.

図17は第6の実施の形態に係る半導体装置の第1の例を示す図である。図17には、半導体装置の要部断面図を模式的に示している。
図17に示す半導体装置200は、トップゲート型FETの一例であって、支持基板210、AGNRジャンクション220、電極230a、電極230b、ゲート絶縁層240及びゲート電極250を有する。
FIG. 17 is a diagram showing a first example of a semiconductor device according to the sixth embodiment. FIG. 17 schematically shows a cross-sectional view of essential parts of a semiconductor device.
A semiconductor device 200 shown in FIG. 17 is an example of a top-gate FET, and includes a support substrate 210, an AGNR junction 220, electrodes 230a, 230b, a gate insulating layer 240, and a gate electrode 250. FIG.

支持基板210には、サファイア等の絶縁性の各種基板、少なくとも表層に無機系又は有機系の絶縁材料が設けられた各種基板が用いられる。このような支持基板210上に、AGNRジャンクション220が設けられる。AGNRジャンクション220は、式(2)のような構造を有する前駆体を用いて所定の平面形状の金属層上に合成したものを、支持基板210上に転写することで、設けられる。 As the support substrate 210, various insulating substrates such as sapphire, and various substrates provided with an inorganic or organic insulating material on at least the surface layer are used. An AGNR junction 220 is provided on such a support substrate 210 . The AGNR junction 220 is provided by transferring onto the support substrate 210 a material synthesized on a metal layer having a predetermined planar shape using a precursor having a structure as shown in formula (2).

半導体装置200では、AGNRジャンクション220として、両端部に、所定の幅(図示せず)で金属性のAGNRジャンクション部221を有し、それらの中間部に、それらよりも狭い幅(図示せず)で半導体性のAGNRジャンクション部222を有するものが用いられる。両端部の金属性のAGNRジャンクション部221上にそれぞれ、電極230a及び電極230bが接続され、中間部の半導体性のAGNRジャンクション部222上に、ゲート絶縁層240を介してゲート電極250が設けられる。ゲート電極250の電位が制御されることで、電極230aと電極230bとの間を繋ぐ半導体性のAGNRジャンクション部222、即ちチャネルのオンオフが制御される。AGNRの高いキャリア移動度を活かした、高速、高性能の半導体装置200が実現される。 In the semiconductor device 200, the AGNR junctions 220 have metallic AGNR junctions 221 with a predetermined width (not shown) at both ends, and narrower widths (not shown) at their intermediate portions. , having a semiconducting AGNR junction 222 is used. Electrodes 230a and 230b are connected to the metallic AGNR junctions 221 at both ends, respectively, and a gate electrode 250 is provided on the semiconducting AGNR junction 222 at the middle with a gate insulating layer 240 interposed therebetween. By controlling the potential of the gate electrode 250, the on/off of the semiconducting AGNR junction 222 connecting the electrodes 230a and 230b, that is, the channel is controlled. A high-speed, high-performance semiconductor device 200 that takes advantage of the high carrier mobility of AGNR is realized.

図18は第6の実施の形態に係る半導体装置の第2の例を示す図である。図18には、半導体装置の要部断面図を模式的に示している。
図18に示す半導体装置300は、ボトムゲート型FETの一例であって、ゲート電極310、ゲート絶縁層320、AGNRジャンクション330、電極340a及び電極340bを有する。
FIG. 18 is a diagram showing a second example of the semiconductor device according to the sixth embodiment. FIG. 18 schematically shows a cross-sectional view of essential parts of a semiconductor device.
A semiconductor device 300 shown in FIG. 18 is an example of a bottom-gate FET, and has a gate electrode 310, a gate insulating layer 320, an AGNR junction 330, electrodes 340a and 340b.

ゲート電極310には、導電性を有する基板が用いられ、例えば、所定導電型の不純物元素を添加したシリコン(Si)基板等の半導体基板が用いられる。このようなゲート電極310上に、ゲート絶縁層320が設けられ、ゲート絶縁層320上に、AGNRジャンクション330が設けられる。AGNRジャンクション330は、式(2)のような構造を有する前駆体を用いて所定の平面形状の金属層上に合成したものを、ゲート絶縁層320上に転写することで、設けられる。 A conductive substrate is used for the gate electrode 310. For example, a semiconductor substrate such as a silicon (Si) substrate doped with an impurity element of a predetermined conductivity type is used. A gate insulating layer 320 is provided on such a gate electrode 310 , and an AGNR junction 330 is provided on the gate insulating layer 320 . The AGNR junction 330 is provided by transferring onto the gate insulating layer 320 a material synthesized on a metal layer having a predetermined planar shape using a precursor having a structure as shown in formula (2).

半導体装置300では、AGNRジャンクション330として、両端部に、所定の幅(図示せず)で金属性のAGNRジャンクション部331を有し、それらの中間部に、それらよりも狭い幅(図示せず)で半導体性のAGNRジャンクション部332を有するものが用いられる。両端部の金属性のAGNRジャンクション部331上にそれぞれ、電極340a及び電極340bが接続される。ゲート電極310の電位が制御されることで、電極340aと電極340bとの間を繋ぐ半導体性のAGNRジャンクション部332、即ちチャネルのオンオフが制御される。AGNRの高いキャリア移動度を活かした、高速、高性能の半導体装置300が実現される。 In the semiconductor device 300, the AGNR junctions 330 have metallic AGNR junctions 331 with a predetermined width (not shown) at both ends, and narrower widths (not shown) at their intermediate portions. , having a semiconducting AGNR junction portion 332 is used. Electrodes 340a and 340b are connected to the metallic AGNR junctions 331 at both ends, respectively. By controlling the potential of the gate electrode 310, the on/off of the semiconducting AGNR junction 332 connecting the electrodes 340a and 340b, that is, the channel is controlled. A high-speed, high-performance semiconductor device 300 that takes advantage of the high carrier mobility of AGNR is realized.

また、図18に示すような半導体装置300は、AGNRジャンクション330の、分子吸着時に抵抗が変化する性質を利用し、FET型ガスセンサーとして用いることもできる。FET型ガスセンサーとして用いられる半導体装置300では、AGNRジャンクション330にガスが吸着した時の、電極340aと電極340bとの間に流れる電流と、ゲート電極310の電圧との関係の変化が、測定される。AGNRジャンクション330を用いることで、高感度のFET型ガスセンサーが実現される。 Moreover, the semiconductor device 300 as shown in FIG. 18 can also be used as an FET type gas sensor by utilizing the property of the AGNR junction 330 that the resistance changes upon molecular adsorption. In the semiconductor device 300 used as an FET-type gas sensor, changes in the relationship between the current flowing between the electrodes 340a and 340b and the voltage of the gate electrode 310 when gas is adsorbed on the AGNR junction 330 are measured. be. By using the AGNR junction 330, a highly sensitive FET-type gas sensor is realized.

図19は第6の実施の形態に係る半導体装置の第3の例を示す図である。図19には、半導体装置の要部断面図を模式的に示している。
図19に示す半導体装置400は、ショットキーバリアダイオードの一例であって、支持基板410、AGNRジャンクション420、電極430a及び電極430bを有する。
FIG. 19 is a diagram showing a third example of the semiconductor device according to the sixth embodiment. FIG. 19 schematically shows a cross-sectional view of essential parts of a semiconductor device.
A semiconductor device 400 shown in FIG. 19 is an example of a Schottky barrier diode and has a supporting substrate 410, an AGNR junction 420, electrodes 430a and 430b.

支持基板410には、サファイア等の絶縁性の各種基板、少なくとも表層に無機系又は有機系の絶縁材料が設けられた各種基板が用いられる。このような支持基板410の上に、AGNRジャンクション420が設けられる。AGNRジャンクション420は、式(2)のような構造を有する前駆体を用いて所定の平面形状の金属層上に合成したものを、支持基板410上に転写することで、設けられる。 As the support substrate 410, various insulating substrates such as sapphire, and various substrates provided with an inorganic or organic insulating material on at least the surface layer are used. An AGNR junction 420 is provided on such a support substrate 410 . The AGNR junction 420 is provided by transferring onto the support substrate 410 a material synthesized on a predetermined planar metal layer using a precursor having a structure as shown in formula (2).

ここで、ショットキーバリアダイオードとして用いられる半導体装置400では、AGNRジャンクション420として、次のようなものが用いられる。即ち、両端部に、所定の幅(図示せず)で金属性のAGNRジャンクション部421を有し、それらの中間部に、それらよりも狭い幅(図示せず)で、バンドギャップ又は仕事関数の異なる半導体性のAGNRジャンクション部422a及びAGNRジャンクション部422bを有する、AGNRジャンクション420が用いられる。 Here, in semiconductor device 400 used as a Schottky barrier diode, the following is used as AGNR junction 420 . That is, it has a metallic AGNR junction portion 421 with a predetermined width (not shown) at both ends, and has a narrower width (not shown) at the intermediate portion of the bandgap or work function. An AGNR junction 420 is used having an AGNR junction portion 422a and an AGNR junction portion 422b of different semiconductivity.

半導体性のAGNRジャンクション部422a及びAGNRジャンクション部422bには、例えば、互いの幅を異ならせたものや、互いのエッジ終端基を異ならせたものが用いられる。 For the semiconducting AGNR junction portion 422a and AGNR junction portion 422b, for example, those having different widths or different edge terminating groups are used.

互いの幅を異ならせる場合には、AGNRジャンクション部422aが合成される部位と、AGNRジャンクション部422bが合成される部位との幅が異なる金属層上に、式(2)のような前駆体を用いて合成を行う。 When the widths are different from each other, a precursor such as formula (2) is applied on a metal layer having different widths for the portion where the AGNR junction portion 422a is synthesized and the portion where the AGNR junction portion 422b is synthesized. Synthesis is performed using

また、互いのエッジ終端基を異ならせる場合には、金属層上の一部に選択的に、第1のZ基を有する前駆体を用いて合成を行い、それに続けて、金属層上の他部に選択的に、第1のZ基とは異なる第2のZ基を有する前駆体を用いて合成を行う。或いは、AGNRジャンクションを合成し、その合成されたAGNRジャンクションの一部のエッジに選択的に第1のZ基を導入し、要すれば他部のエッジに選択的に第2の基を導入する。このようにして、エッジが異なるZ基で終端されたAGNRジャンクション部422a及びAGNRジャンクション部422bを繋げた構造を得る。 In addition, when the edge termination groups are different from each other, a part of the metal layer is selectively synthesized using a precursor having the first Z group, followed by another part of the metal layer. Optionally, the synthesis is performed using a precursor with a second Z group that is different from the first Z group. Alternatively, by synthesizing an AGNR junction, selectively introducing a first Z group on some edges of the synthesized AGNR junction, and selectively introducing a second group on other edges if necessary. . In this way, a structure is obtained in which the AGNR junction portion 422a and the AGNR junction portion 422b whose edges are terminated with different Z groups are connected.

AGNRジャンクション420には、このような半導体性のAGNRジャンクション部422a及びAGNRジャンクション部422bと共に、両端部に金属性のAGNRジャンクション部421が設けられる。両端部の金属性のAGNRジャンクション部421上にそれぞれ、電極430a及び電極430bが接続される。一方の電極430aには、一方のAGNRジャンクション部421とショットキー接続される材料(Cr等)が用いられ、他方の電極430bには、他方のAGNRジャンクション部421とオーミック接続される材料(Ti等)が用いられる。 The AGNR junction 420 is provided with such semiconductor AGNR junctions 422a and 422b as well as metallic AGNR junctions 421 at both ends. Electrodes 430a and 430b are connected to the metallic AGNR junctions 421 at both ends, respectively. One electrode 430a is made of a material (such as Cr) that makes a Schottky connection with the other AGNR junction portion 421, and the other electrode 430b is made of a material that makes an ohmic connection with the other AGNR junction portion 421 (such as Ti). ) is used.

上記構成を有する半導体装置400によれば、優れたダイオード特性を有するショットキーバリアダイオードが実現される。
尚、半導体性のAGNRジャンクション部222,332,422a,422bは、それらに対するドーピング機能を有する材料、例えば、いわゆる自己組織化単分子膜(Self-Assembled Monolayer;SAM)上に設けられてもよい。
According to the semiconductor device 400 having the above configuration, a Schottky barrier diode having excellent diode characteristics is realized.
The semiconducting AGNR junctions 222, 332, 422a, and 422b may be provided on a material having a doping function therefor, such as a so-called Self-Assembled Monolayer (SAM).

次に、第7の実施の形態について説明する。
上記第5及び第6の実施の形態で述べたような半導体装置100,200,300,400等は、各種電子装置(又は電子機器)に搭載することができる。例えば、コンピュータ(パーソナルコンピュータ、スーパーコンピュータ、サーバ等)、スマートフォン、携帯電話、タブレット端末、センサ、カメラ、オーディオ機器、測定装置、検査装置、製造装置といった、各種電子装置に用いることができる。
Next, a seventh embodiment will be described.
The semiconductor devices 100, 200, 300, 400, etc. described in the fifth and sixth embodiments can be mounted on various electronic devices (or electronic equipment). For example, it can be used in various electronic devices such as computers (personal computers, supercomputers, servers, etc.), smart phones, mobile phones, tablet terminals, sensors, cameras, audio equipment, measuring devices, inspection devices, and manufacturing devices.

図20は電子装置について説明する図である。図20には、電子装置の一例を模式的に示している。
図20に示すように、例えば、上記図16に示したような半導体装置100が、各種電子装置500に搭載(内蔵)される。上記のように半導体装置100は、AGNRジャンクション130の高いキャリア移動度を活かした、高速、高性能のFETを備える。このような半導体装置100を搭載した、高速、高性能の電子装置500が実現される。
FIG. 20 is a diagram illustrating an electronic device. FIG. 20 schematically shows an example of an electronic device.
As shown in FIG. 20, for example, the semiconductor device 100 as shown in FIG. As described above, the semiconductor device 100 includes high-speed, high-performance FETs that take advantage of the high carrier mobility of the AGNR junction 130 . A high-speed, high-performance electronic device 500 equipped with such a semiconductor device 100 is realized.

ここでは、上記図16に示したような半導体装置100を例にしたが、他の半導体装置200,300,400等も同様に、各種電子装置に搭載することができる。 Here, the semiconductor device 100 as shown in FIG. 16 is used as an example, but other semiconductor devices 200, 300, 400, etc. can be similarly mounted on various electronic devices.

10a,10b,10c 前駆体
11,12,13 化合物
20a,20b,20c ポリマー鎖
30a,30b,31a,31b,32a,32b 7-AGNR
30c,31c,32c 11-AGNR
40a,40b 7-AGNRジャンクション
40c 11-AGNRジャンクション
100,200,300,400 半導体装置
110 絶縁基板
120 金属層
121 幅広領域
122 幅狭領域
130,220,330,420 AGNRジャンクション
131,132,221,222,331,332,421,422a,422b AGNRジャンクション部
140a,140b,230a,230b,340a,340b,430a,430b 電極
150,240,320 ゲート絶縁層
160,250,310 ゲート電極
170 隙間
180 空洞
210,410 支持基板
500 電子装置
P リボン長方向
Q リボン幅方向
W1,W2 幅
L 長さ
10a, 10b, 10c precursor 11, 12, 13 compound 20a, 20b, 20c polymer chain 30a, 30b, 31a, 31b, 32a, 32b 7-AGNR
30c, 31c, 32c 11-AGNR
40a, 40b 7-AGNR junction 40c 11-AGNR junction 100, 200, 300, 400 Semiconductor device 110 Insulating substrate 120 Metal layer 121 Wide region 122 Narrow region 130, 220, 330, 420 AGNR junction 131, 132, 221, 222 , 331, 332, 421, 422a, 422b AGNR junction part 140a, 140b, 230a, 230b, 340a, 340b, 430a, 430b electrode 150, 240, 320 gate insulating layer 160, 250, 310 gate electrode 170 gap 180 cavity 210, 410 support substrate 500 electronic device P ribbon length direction Q ribbon width direction W1, W2 width L length

Claims (5)

下記一般式(1)で表される、Z基及びアミノ基を有する第1化合物の、前記アミノ基をY基に変換して、下記一般式(2)で表される第2化合物を合成する工程と、
前記第2化合物の芳香環の炭素原子に結合した水素原子をX基に変換して、下記一般式(3)で表される第3化合物を合成する工程と
を含むことを特徴とする化合物の製造方法。
Figure 2022121449000007
Figure 2022121449000008
Figure 2022121449000009
〔前記一般式(1)~(3)中、sは1~3の整数、tは0~4の整数であり、X基、Y基及びZ基は、芳香環の炭素原子との結合エネルギーが、C-X結合、C-Y結合、C-Z結合の順に大きくなる基である。〕
Synthesizing a second compound represented by the following general formula (2) by converting the amino group of a first compound having a Z group and an amino group represented by the following general formula (1) into a Y group process and
and converting the hydrogen atom bonded to the carbon atom of the aromatic ring of the second compound into an X group to synthesize a third compound represented by the following general formula (3). Production method.
Figure 2022121449000007
Figure 2022121449000008
Figure 2022121449000009
[In the general formulas (1) to (3), s is an integer of 1 to 3, t is an integer of 0 to 4, and the X group, the Y group, and the Z group are the binding energy with the carbon atoms of the aromatic ring. is a group that increases in the order of C—X bond, CY bond, and C—Z bond. ]
下記一般式(4)で表される化合物の群から、互いのX基の脱離、及び前記X基が脱離した芳香環の炭素原子同士の結合により、下記一般式(5)で表される第1重合体を合成する工程と、
前記第1重合体から、Y基の脱離、及び前記Y基が脱離した芳香環の炭素原子同士の結合により、下記一般式(6)で表される第2重合体を合成する工程と
を含むことを特徴とするグラフェンナノリボンの製造方法。
Figure 2022121449000010
Figure 2022121449000011
Figure 2022121449000012
〔前記一般式(4)~(6)中、sは1~3の整数、tは0~4の整数、nは重合度であり、X基、Y基及びZ基は、芳香環の炭素原子との結合エネルギーが、C-X結合、C-Y結合、C-Z結合の順に大きくなる基である。〕
From the group of compounds represented by the following general formula (4), mutual elimination of X groups and bonding between carbon atoms of the aromatic rings from which the X groups are eliminated are represented by the following general formula (5) a step of synthesizing a first polymer that
a step of synthesizing a second polymer represented by the following general formula (6) by elimination of the Y group from the first polymer and bonding between carbon atoms of the aromatic ring from which the Y group has been eliminated; A method for producing graphene nanoribbons, comprising:
Figure 2022121449000010
Figure 2022121449000011
Figure 2022121449000012
[In the general formulas (4) to (6), s is an integer of 1 to 3, t is an integer of 0 to 4, n is the degree of polymerization, and X, Y and Z are aromatic ring carbon atoms A group in which the bond energy with an atom increases in the order of C—X bond, CY bond, and C—Z bond. ]
前記第1重合体を合成する工程は、前記化合物の群を第1温度で加熱する工程を含み、
前記第2重合体を合成する工程は、前記第1重合体を、前記第1温度よりも高い第2温度で加熱する工程を含む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の製造方法。
synthesizing the first polymer comprises heating the group of compounds at a first temperature;
3. The method of claim 2, wherein synthesizing the second polymer comprises heating the first polymer at a second temperature higher than the first temperature. .
合成された前記第2重合体の群から、互いのZ基の脱離、及び前記Z基が脱離した芳香環の炭素原子同士の結合により、前記第2重合体同士が6員環接合された第3重合体を合成する工程を更に含むことを特徴とする請求項2又は3に記載のグラフェンナノリボンの製造方法。 From the synthesized second polymer group, the second polymers are six-membered ring-bonded by mutual elimination of the Z groups and bonding between the carbon atoms of the aromatic rings from which the Z groups have been eliminated. 4. The method for producing graphene nanoribbons according to claim 2 or 3, further comprising synthesizing a third polymer. 前記第3重合体を合成する工程は、前記第2重合体の群を、前記第2温度よりも高い第3温度で加熱する工程を含むことを特徴とする、請求項3を引用する請求項4に記載のグラフェンナノリボンの製造方法。
Claim citing Claim 3, characterized in that the step of synthesizing the third polymer comprises heating the group of the second polymers at a third temperature that is higher than the second temperature. 5. The method for producing graphene nanoribbons according to 4.
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