JP6280070B2

JP6280070B2 - 歪みセンサーおよび歪み検出方法

Info

Publication number: JP6280070B2
Application number: JP2015049245A
Authority: JP
Inventors: 佐々木　健一; 健一佐々木; 後藤　秀樹; 秀樹後藤
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2015-03-12
Filing date: 2015-03-12
Publication date: 2018-02-14
Anticipated expiration: 2035-03-12
Also published as: JP2016170006A

Description

本発明は、一原子の厚みしかない平面状シートであるグラフェンを用いた歪みセンサーおよび歪み検出方法に関するものである。

歪みセンサー（歪みゲージ）は、歪みの検知部品である。一般に用いられている歪みゲージは金属の薄膜を用いたものであり、応力により箔の電気抵抗が変化することを利用し、歪みの評価を行う（非特許文献１参照）。

高橋賞，河合正安著，"ひずみゲージによるひずみ測定入門−歴史から測定まで−"，大成社，１９９７年

ナノテクノロジーの分野では、素材の微細化に伴いナノメートルスケール（１ナノメートルは１０^-6ミリメートル）の素子が研究されている。従来の歪みセンサーの大きさは１ミリメートルのオーダであり、ナノテクノロジーの領域で用いるのは不可能であるという問題があり、センサーの大きさを可能な限り小さくする、という研究開発の課題があった。

また、関連する問題として、歪みセンサーは、観測している領域の歪みの平均値を結果として出力するので、例えば、局所的に応力が集中している場合には、平均化された低い歪み値を示してしまう場合があった。歪みセンサーの大きさを小さくすれば局所的な測定も可能になるという利点がある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、センサーの大きさを従来のミリメートルオーダからマイクロメートルオーダに小さくすることが可能で、歪みまたは応力の局所的な検出が可能な歪みセンサーおよび歪み検出方法を提供することを目的とする。

本発明の歪みセンサーは、基板上に配置された、水分子が吸着したグラフェンと、このグラフェン上に形成された電極と、前記グラフェンにレーザ光を照射し、前記水分子の振動を通じて前記グラフェンの格子を振動させる光源と、前記グラフェンの抵抗の変化または前記グラフェンに流れる電流の変化を前記電極を介して検出することにより、前記グラフェンの歪みまたは前記グラフェンに加えられた応力を検出する検出手段とを備えることを特徴とするものである。
また、本発明の歪みセンサーの１構成例において、前記グラフェンは、シリコンカーバイド製の前記基板の熱融解によって基板上に作製されたエピタキシャルグラフェンであることを特徴とするものである。

また、本発明の歪み検出方法は、基板上に配置された、水分子が吸着したグラフェンにレーザ光を照射し、前記水分子の振動を通じて前記グラフェンの格子を振動させるステップと、前記グラフェンの抵抗の変化または前記グラフェンに流れる電流の変化を、前記グラフェン上に形成された電極を介して検出することにより、前記グラフェンの歪みまたは前記グラフェンに加えられた応力を検出するステップとを含むことを特徴とするものである。

本発明によれば、歪みセンサーの大きさを従来のミリメートルからマイクロメートル程度に小さくすることが可能になり、ナノテクノロジーの領域で使用可能な歪みセンサーを実現することができる。また、本発明では、歪みまたは応力の局所的な検出を実現することができる。

本発明の実施の形態に係る歪みセンサーの構成を示す斜視図である。グラフェンのエネルギー分散関係構造を示す図である。グラフェンが振動しているときのエネルギー分散関係構造を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の実施の形態に係る歪みセンサーの構成を示す斜視図である。本実施の形態の歪みセンサーは、基板１と、基板１上に配置された、水分子７が吸着したグラフェン２と、グラフェン２上に形成されたソース電極３と、同じくグラフェン２上に形成されたドレイン電極４と、グラフェン２にレーザ光８を照射し、水分子７の振動を通じてグラフェン２の格子を振動させる光源５と、グラフェン２の抵抗の変化またはグラフェン２に流れる電流の変化を電極３，４を介して検出することにより、グラフェン２の歪みまたはグラフェン２に加えられた応力を検出する検出手段６とから構成される。

本実施の形態では、従来の歪みゲージで用いられてきた金属箔をグラフェン２に置き換えることで、歪みセンサーの大きさをミリメートルからマイクロメートル（μｍ）程度に小さくすることを可能としている。一方、単純にグラフェンを用いたのでは歪みセンサーとしての用をなさない。グラフェン２に、（１）水分子などが吸着しており、（２）レーザ光が照射されている、ことが必要条件である。

図１は、炭素原子が蜂の巣状に並んだシートである単層のグラフェン２がシリコンカーバイドなどの基板１に装着されている状況を示している。グラフェン２は、例えばシリコンカーバイドの熱融解によって基板１上にエピタキシャルグラフェンを作製することで実現できる。このようなグラフェン２上に、真空蒸着とリフトオフによってソース電極３およびドレイン電極４を形成すればよい。

グラフェン２には、水分子７のクラスターが吸着している。水分子７は、グラフェン２上にあってもよいし、グラフェン２と基板１との間にあっても差し支えない。水分子７がグラフェン２の表面を覆う割合を示す被覆率は、グラフェン２のアニーリング温度などで変えられるが、温度範囲を４００℃〜５００℃の加熱処理をした際の被覆率を念頭にしている（文献「S.Suzuki et al.，“Structural Instability of Transferred Graphene Grown by Chemical Vapor Deposition against Heating”，The Journal of Physical Chemistry C 2013，117，pp.22123-22130」参照）。被覆率としては、例えば１０％程度以上であればよい。

水分子７の役割は、光源５から照射されるレーザ光８との相互作用で水分子７が振動して、その振動がグラフェン２と水分子７の相互作用を通じてグラフェン２の格子を振動させることにある。照射するレーザ光８の波長範囲や強度は、グラフェン２のラマン分光が取れる程度あればよい。具体的には、レーザ光８の波長は４００ナノメートル以上、強度は数ミリワット程度までであればよい。なお、本発明はグラフェン２の格子の振動方向には影響されない。すなわち、グラフェン２の格子の振動方向については規定しなくてよい。

レーザ照射によりグラフェン２の格子が振動している状況で、炭素原子が並んでいる方向（図１の矢印方向）に沿ってグラフェン２に一様な応力が加わると、この応力に比例した電流（抵抗）の変化がグラフェン２に生じる。

検出手段６は、ソース電極３とドレイン電極４間の電気抵抗の変化を検出してグラフェン２の抵抗の変化を検出するか、またはソース電極３とドレイン電極４間の電流の変化を検出してグラフェン２に流れる電流の変化を検出することにより、グラフェン２の歪みまたはグラフェン２に加えられた応力を検出する。

ここで電流（抵抗）の変化が生じる理由は通常の歪みゲージの抵抗変化と異なるので、グラフェン２に電流（抵抗）変化が生じる理由を以下で説明する。
グラフェン２のエネルギー分散関係構造を図２に示す。図２の垂直方向はエネルギーＥ（ｋ）を表し、水平方向は波数ｋを表している。グラフェン２のエネルギー分散関係構造は、Ｋ点とＫ’点と呼ばれる波数の値でそれぞれ、２つの円錐をつなげたような分散構造をしている。円錐１００が伝導帯のエネルギー、円錐１０１が価電子帯のエネルギーであり、円錐１００と１０１とが点で接しているので、半導体のようなエネルギーギャップが存在しない。つまり金属である。

グラフェン２を用いた歪みセンサーでは、応力により生じる電流に注目する。電流は、Ｋ点の電子からなる成分とＫ’点の電子からなる成分の和で与えられるが、応力によって生じる電流は、Ｋ点とＫ’点で電流の流れる方向が逆のため、両者の電流がキャンセルしてしまい、実際には観測されない。ところが、グラフェン２に水分子７などが吸着し、水分子７がレーザ光８によって強制的に振動するようになると、図３に示すように、Ｋ点とＫ’点に符号が反対のポテンシャルφ（ｒ，ｔ）が生成され、電流がキャンセルされなくなる（文献「K.Sasaki et al.，“Valley-antisymmetric potential in graphene under dynamical deformation”，PHYSICAL REVIEW B 90，205402，2014」参照）。

グラフェン２に歪みが加わったときの抵抗の変化は、数十ｋΩ程度である。この見積は抵抗のドーピング依存性（実験値）にＫ点とＫ’点で符号が反対のポテンシャルの大きさをかけた量で与えられる。具体的には抵抗の実測値のフッティングが３４０＋３．７×１０⁶／（２２＋（５００ＥＦ（／ｅＶ））²）Ωで、そのＥＦ微分にポテンシャル（１０ｍｅＶ程度）をかけた量が数十ｋΩのオーダになる。

グラフェン２の抵抗の変化量（またはグラフェン２に流れる電流の変化量）とグラフェン２の歪みの大きさ（またはグラフェン２に加わる応力の大きさ）との関係を予め見積もっておけば、この関係を用いて、検出手段６は、グラフェン２の抵抗の変化または電流の変化から、歪みの大きさまたは応力の大きさを導き出すことができる。

このような検出手段６は、抵抗または電流の測定回路（不図示）と、コンピュータ（不図示）とから構成される。コンピュータのＣＰＵ（Central Processing Unit）は、メモリに格納されたプログラムに従って動作し、測定回路の測定結果から、上記のように歪みの大きさまたは応力の大きさを導き出す。

以上のように、本実施の形態では、グラフェン２を用いることにより、歪みセンサーの大きさを従来のミリメートルからマイクロメートル（μｍ）程度に小さくすることが可能になり、ナノテクノロジーの領域で使用可能な歪みセンサーを実現することができる。また、局所的に応力が集中している場合にも、平均化された低い歪み値を示してしまうことがなくなり、応力（歪み）の局所的な検出を実現することができる。

なお、本実施の形態では、グラフェン２が基板１と接していることも、応力により電流（抵抗）の変化が生じることの重要な因子の１つである。つまり、グラフェン２が基板１と接触することで界面準位が生成され、グラフェン２の電子と界面準位との間で電気的な平衡状態になっていることが必要である。界面準位は所謂エピタキシャルグラフェンにおいて影響が強いことが知られており、上記で説明したグラフェン２の作製方法は界面準位を生成することを目的の１つとしている。

本発明は、ナノテクノロジーの領域で用いる歪みセンサーの技術に適用することができる。

１…基板、２…グラフェン、３…ソース電極、４…ドレイン電極、５…光源、６…検出手段、７…水分子、８…レーザ光。

Claims

基板上に配置された、水分子が吸着したグラフェンと、
このグラフェン上に形成された電極と、
前記グラフェンにレーザ光を照射し、前記水分子の振動を通じて前記グラフェンの格子を振動させる光源と、
前記グラフェンの抵抗の変化または前記グラフェンに流れる電流の変化を前記電極を介して検出することにより、前記グラフェンの歪みまたは前記グラフェンに加えられた応力を検出する検出手段とを備えることを特徴とする歪みセンサー。
請求項１記載の歪みセンサーにおいて、
前記グラフェンは、シリコンカーバイド製の前記基板の熱融解によって基板上に作製されたエピタキシャルグラフェンであることを特徴とする歪みセンサー。
基板上に配置された、水分子が吸着したグラフェンにレーザ光を照射し、前記水分子の振動を通じて前記グラフェンの格子を振動させるステップと、
前記グラフェンの抵抗の変化または前記グラフェンに流れる電流の変化を、前記グラフェン上に形成された電極を介して検出することにより、前記グラフェンの歪みまたは前記グラフェンに加えられた応力を検出するステップとを含むことを特徴とする歪み検出方法。
請求項３記載の歪み検出方法において、
前記グラフェンは、シリコンカーバイド製の前記基板の熱融解によって基板上に作製されたエピタキシャルグラフェンであることを特徴とする歪み検出方法。