JP7102364B2 - Electronic elements and molecular detectors - Google Patents
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実施形態は、電子素子、および分子検出装置に関する。
Embodiments relate to electronic devices and molecular detectors.
グラフェンは高いキャリア移動度を有し、かつ2次元シートの構造の全体が周囲に露出している。このため、グラフェン層を有する基材を用い、例えば吸着した対象分子を高感度で検出する分子検出センサなどの電子素子や上記分子検出センサを用いた分子検出装置の実現が期待されている。 Graphene has high carrier mobility, and the entire structure of the two-dimensional sheet is exposed to the surroundings. Therefore, it is expected to realize an electronic element such as a molecule detection sensor that detects adsorbed target molecules with high sensitivity by using a base material having a graphene layer, or a molecule detection device using the molecule detection sensor.
グラフェンは、例えばグラファイトから剥離する方法や化学気相成長(CVD)法を用いて形成される。しかしながら、従来の方法では、所望のキャリア移動度を有するグラフェンを量産することが困難であった。 Graphene is formed, for example, by stripping from graphite or by chemical vapor deposition (CVD). However, it has been difficult to mass-produce graphene having a desired carrier mobility by the conventional method.
本発明が解決しようとする課題は、キャリア移動度が高いグラフェン層を有する基材、ならびに上記グラフェン層を用いた電子素子および分子検出装置を提供することである。 An object to be solved by the present invention is to provide a base material having a graphene layer having high carrier mobility, and an electronic element and a molecule detection device using the graphene layer.
実施形態の電子素子は、基板と、基板上に並置された複数のシングルドメイングラフェン層と、を具備し、複数のシングルドメイングラフェン層は、平面視において前記シングルドメイングラフェン層の中心点を中心とする3n回転対称形状(nは自然数)を有し、複数のシングルドメイングラフェン層は、炭素原子の六員環構造を有する結晶相を備え、複数のシングルドメイングラフェン層の結晶相は、互いに異なる方向に配向する。
The electronic element of the embodiment includes a substrate and a plurality of single-domain graphene layers juxtaposed on the substrate, and the plurality of single-domain graphene layers are centered on the center point of the single-domain graphene layer in a plan view. It has a 3n rotationally symmetric shape (n is a natural number) , the plurality of single domain graphene layers have a crystal phase having a six-membered ring structure of carbon atoms, and the crystal phases of the plurality of single domain graphene layers have different directions from each other. Oriented to.
以下、実施形態について、図面を参照して説明する。なお、各実施形態において、実質的に同一の構成部位には同一の符号を付し、その説明を一部省略する場合がある。図面は模式的であり、各部の厚さと平面寸法との関係、各部の厚さの比率などは現実の構成部位とは異なる場合がある。 Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings. In each embodiment, substantially the same constituent parts may be designated by the same reference numerals, and the description thereof may be partially omitted. The drawings are schematic, and the relationship between the thickness of each part and the plane dimensions, the ratio of the thickness of each part, etc. may differ from the actual constituent parts.
(基材)
図1は、実施形態の基材の構造例を示す上面模式図である。図1に示す基材100は、基板101と、基板101上に並置された複数のシングルドメイングラフェン層102と、を具備する。なお、並置されているとは間隔を空けて配置されていることをいう。例えば、複数のシングルドメイングラフェン層102はアレイ状に配置されていてもよい。
(Base material)
FIG. 1 is a schematic top view showing a structural example of the base material of the embodiment. The
基板101としては、例えばシリコン基板などの半導体基板の上に酸化シリコンなどの絶縁膜を有する基板を用いることができる。これに限定されず、基板101としては、ガラス基板や石英基板などを用いてもよい。
As the
シングルドメイングラフェン層102は、グラフェン同士の粒界を含まない単一の結晶相を有するグラフェン(シングルドメイングラフェン)を有する層である。シングルドメイングラフェンは、炭素原子の六員環構造を有する2次元のシート状の結晶相を具備する。複数のシングルドメイングラフェン層102の結晶相は互いに異なる方向に配向する。シングルドメイングラフェンは、粒界や欠陥が少なく、キャリア移動度が高い。よって、シングルドメイングラフェンを例えば電子素子に用いることにより、非常に高感度なセンサを実現することができる。シングルドメイングラフェン層102のキャリア移動度は、例えば10000cm2/Vs以上が好ましい。シングルドメイングラフェン層102のキャリア移動度を10000cm2/Vs以上に高めることにより、例えばシングルドメイングラフェン層102を用いて高性能の電子素子を実現することができる。高性能の電子素子としては、例えば吸着した対象分子を高感度で検出する分子検出センサ等が挙げられる。
The single
複数のシングルドメイングラフェン層102のそれぞれは、平面視において表面の中心点Cを中心とする3n回転対称形状(nは自然数)を有する。平面視とは、基板101におけるシングルドメイングラフェン層102の形成面に対して垂直な方向(図1の紙面に対して垂直な方向)から見ることである。中心点Cは、平面視におけるシングルドメイングラフェン層102の形状に応じて適宜設定される。
Each of the plurality of single
シングルドメイングラフェン層102は、平面視において例えば図1に示すように正六角形状を有するが、これに限定されず、その他の3n角形状を有していてもよい。図2ないし図4は、シングルドメイングラフェン層102の他の形状例を示す模式図である。図2に示すシングルドメイングラフェン層102は、平面視において三角形状を有する。図3に示すシングルドメイングラフェン層102は、平面視において星形六角形状を有する。図4に示すシングルドメイングラフェン層102は、平面視において、第1の辺と第1の辺と異なる長さの第2の辺が互いに対向する六角形状を有する。なお、3n回転対称形状は、正3n角形状に限定されず、例えば正3n角形状の少なくとも一辺に歪みや凹凸を有するような略正3n角形状も含む。
The single
平面視における複数のシングルドメイングラフェン層102のそれぞれの面積は、例えば1μm2以上1000000μm2以下が好ましい。シングルドメイングラフェン層102の面積を1μm2以上1000000μm2以下に制御することにより、グラフェン同士の粒界の形成を抑制することができるため、シングルドメイングラフェンを形成しやすくすることができる。隣り合うシングルドメイングラフェン層102の最短距離は、例えば10μm以上10000μm以下であることが好ましい。隣り合うシングルドメイングラフェン層102の最短距離を10μm以上10000μm以下に制御することにより、グラフェン同士の粒界の形成を抑制することができるため、シングルドメイングラフェンを形成しやすくすることができる。これらにより、基材100の生産性を向上させることができる。
The area of each of the plurality of single
次に、実施形態の基材の製造方法例について説明する。図5ないし図14は、実施形態の基材の製造方法例を説明するための図である。実施形態の基材の製造方法例は、Cu-M合金層形成工程と、アニール工程と、グラフェン層形成工程と、剥離・転写工程と、を具備する。 Next, an example of a method for manufacturing the base material of the embodiment will be described. 5 to 14 are views for explaining an example of a method for manufacturing a base material according to an embodiment. An example of a method for producing a base material according to an embodiment includes a Cu—M alloy layer forming step, an annealing step, a graphene layer forming step, and a peeling / transfer step.
Cu-M合金層形成工程では、図5に示すように、基板103上に並置された複数のCu-M合金層104を形成する。例えば、複数のCu-M合金層104はアレイ状に配置されていてもよい。複数のCu-M合金層104は、例えばスパッタリングや蒸着法によりCu-M合金膜を形成し、フォトリソグラフィ技術を用いてCu-M合金膜の一部をエッチングすることにより形成される。
In the Cu—M alloy layer forming step, as shown in FIG. 5, a plurality of Cu—M alloy layers 104 juxtaposed on the
基板103としては、安価な基板を用いることが好ましくは、例えば石英基板、酸化シリコンとシリコン基板とを有する基板、金属基板、セラミックス基板などを用いることができる。Cu-M合金層104を形成するためにフォトリソグラフィ技術を用いるため、基板103の表面は平坦であることが好ましい。また、Cu-M合金層104を形成するためにアニールを行うため、アニール温度程度でも安定な基板を用いることが好ましい。例えば、石英基板は表面粗さ0.4nm程度の平坦面を有し、1000℃のアニールでも安定である。
As the
Cu-M合金層104は、シングルドメイングラフェン層102を形成するための下地層としての機能を有する。Cu-M合金層104は、図6に示すように、複数の結晶相104aと結晶粒界104bとを有する多結晶構造を備える。なお、平面視におけるCu-M合金層104の形状は特に限定されない。
The Cu—
Cu-M合金層104は、銅(Cu)元素とM元素とを含有する合金化合物を有する。銅元素は、Cu-M合金層104を下地層として機能させるための元素であり、M元素は、Cu-M合金層104の最近接原子間距離を調整するための元素である。Cu-M合金層104上でグラフェンをエピタキシャル成長させる場合、グラフェンはCu-M合金層104の結晶面に沿って成長するため、シングルドメイングラフェンを形成するためには、下地層の最近接原子間距離をグラフェンの最近接原子間距離と一致させることが好ましい。しかしながら、銅の原子間距離はグラフェンの最近接原子間距離と異なり、グラフェンの面内原子間距離は2.82Å程度であるが、銅の(111)面の最近接原子間距離は2.56Åである。よって、銅層上でグラフェンをエピタキシャル成長させることによりシングルドメイングラフェンを形成することは、最近接原子間距離が適合していないため困難である。
The Cu—
これに対し、例えば金属単体での最近接原子間距離が2.82Åより大きい金属元素を任意の比率で銅に添加することにより、合金の結晶格子サイズを2.82Åに近づけることができ、最近接原子間距離の適合性を改善する、すなわちグラフェンの最近接原子間距離と概略一致させることができる。最近接原子間距離は、例えばCu-M合金層104中のM元素の濃度を調整することにより制御される。
On the other hand, for example, by adding a metal element having a nearest atom-to-atom distance larger than 2.82 Å to copper at an arbitrary ratio, the crystal lattice size of the alloy can be approached to 2.82 Å. The compatibility of the tangent-atom distance can be improved, that is, it can be roughly matched with the nearest atom-to-atom distance of graphene. The closest atom-to-atom distance is controlled, for example, by adjusting the concentration of M element in the Cu—
M元素としては、グラフェンの六員環構造と高い適合性を有する面心立方構造(fcc)の(111)面や、六法最密充填構造(hcp)の(0001)面が優先配向する金属元素が好ましい。また、グラフェン成膜温度で融解、分解しない合金組成とすることが好ましい。その他、合金の膨張係数やグラフェンの形成条件を考慮して選択されることが好ましい。 As the M element, a metal element in which the (111) plane of the face-centered cubic structure (fcc) having high compatibility with the six-membered ring structure of graphene and the (0001) plane of the hexagonal close-packed structure (hcp) are preferentially oriented. Is preferable. Further, it is preferable to have an alloy composition that does not melt or decompose at the graphene film formation temperature. In addition, it is preferable to select it in consideration of the expansion coefficient of the alloy and the graphene formation conditions.
M元素としては、例えば金(Au)、マグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)、カルシウム(Ca)、スカンジウム(Sc)、チタン(Ti)、ストロンチウム(Sr)、イットリウム(Y)、ジルコニウム(Zr)、銀(Ag)、カドミウム(Cd)、ハフニウム(Hf)、タリウム(Tl)、および鉛(Pb)からなる群より選ばれる少なくとも一つの元素が挙げられる。M元素としては、金がより好ましい。M元素は2種類以上の元素の組み合わせでもよい。 Examples of the M element include gold (Au), magnesium (Mg), aluminum (Al), calcium (Ca), scandium (Sc), titanium (Ti), strontium (Sr), yttrium (Y), and zirconium (Zr). , Silver (Ag), Cadmium (Cd), Hafnium (Hf), Yttrium (Tl), and Lead (Pb) at least one element selected from the group. Gold is more preferable as the M element. The M element may be a combination of two or more kinds of elements.
隣り合うCu-M合金層104の最短距離は、隣り合うシングルドメイングラフェン層102の最短距離と同等であることが好ましく、例えば10μm以上10000μm以下が好ましい。 The shortest distance between the adjacent Cu—M alloy layers 104 is preferably the same as the shortest distance between the adjacent single domain graphene layers 102, and is preferably 10 μm or more and 10,000 μm or less, for example.
アニール工程では、例えば真空雰囲気下や不活性ガス雰囲気下でCu-M合金層104をアニールする。これにより、多結晶構造のCu-M合金層104が融解し原子が再配列され、その後冷却することにより、図7および図8に示すように、Cu-M合金層104が再結晶化(単結晶化)されて単結晶構造のCu-M合金層104を形成することができる。アニール温度および時間は、所望の単結晶構造に応じて適宜設定される。
In the annealing step, the Cu—
アニール工程後のCu-M合金層104は、平面視においてCu-M合金層104の中心点を中心とする3n回転対称形状を有する。3n回転対称形状は、例えば正六角形状が挙げられるがこれに限定されない。
The Cu—
単結晶構造は、表面エネルギーが低くかつグラフェンの六員環構造との適合性が高い面心立方構造の(111)面や、六方最密充填構造の(0001)面等を有することが好ましい。上記面は、基板103の面直方向に位置し、面内方向はランダムである。アニール工程後のCu-M合金層104の平面視における面積は、電子素子の量産性向上と素子化に必要なサイズを考慮して設計され、おおむね1μm2以上1000000μm2以下であるが、面積を小さくすることによりデバイス集積度、量産性を高めることができ、アニール時に単結晶化しやすい。面積が大きいとドメインが生じやすくなり、シングルドメイングラフェンがマルチドメイン化する可能性が高くなる。Cu-M合金層104の厚さは、アニール時に単結晶化しやすいサイズであれば特に限定されないが、例えば10nm以上1000nm以下である。
The single crystal structure preferably has a (111) plane of a face-centered cubic structure having a low surface energy and high compatibility with a six-membered ring structure of graphene, a (0001) plane of a hexagonal close-packed structure, and the like. The surface is located in the direction perpendicular to the surface of the
グラフェン層形成工程では、図9に示すように、単結晶化された複数のCu-M合金層104のそれぞれの上にグラフェンを成膜することにより複数のシングルドメイングラフェン層102を形成する。 In the graphene layer forming step, as shown in FIG. 9, a plurality of single domain graphene layers 102 are formed by forming graphene on each of the plurality of single crystallized Cu—M alloy layers 104.
グラフェンの成膜方法としては、例えばCVDを用いてチャンバ内でCu-M合金層104と炭素原料とを接触させる方法が好ましい。炭素原料としては、例えばメタン、エタン、エチレン、アセチレンなどが挙げられ、2種類以上の炭素原料を併用してもよい。
As a graphene film forming method, for example, a method of bringing the Cu—
グラフェンをエピタキシャル成長させるための条件として、例えば不活性ガスや水素ガスを供給してもよく、500℃以上1200℃以下の成膜温度で成膜することが好ましい。チャンバ内の圧力は例えば1×10-5Pa以上1×105Pa以下が好ましい。なお、グラフェンを成膜する前に、処理対象をあらかじめ洗浄やアニールなどの処理をしてもよい。CVDを用いてグラフェンを成膜することにより、シングルドメイングラフェンをエピタキシャル成長させてシングルドメイングラフェン層102を形成することができる。
As a condition for epitaxially growing graphene, for example, an inert gas or hydrogen gas may be supplied, and it is preferable to form a film at a film forming temperature of 500 ° C. or higher and 1200 ° C. or lower. The pressure in the chamber is preferably, for example, 1 × 10-5 Pa or more and 1 × 10 5 Pa or less. Before forming the graphene film, the object to be treated may be subjected to a treatment such as cleaning or annealing in advance. By forming a graphene film using CVD, the single domain graphene can be epitaxially grown to form the single
平面視において成膜されるグラフェンは、図9および図10に示すように、下地層として機能するCu-M合金層104の3n回転対称形状に対応して3n回転対称形状を有する。また面内方向に成長が進行して、Cu-M合金層104の3n回転対称形状をはみ出してシングルドメイングラフェン層102が形成されていてもよい。この際もグラフェンは、3n回転対称形状を有する。シングルドメイングラフェン層102のそれぞれは、単層であることが好ましいが、個数割合で90%以上のシングルドメイングラフェン層102が単層であればよい。
As shown in FIGS. 9 and 10, the graphene formed in a plan view has a 3n rotationally symmetric shape corresponding to the 3n rotationally symmetric shape of the Cu—
剥離・転写工程では、Cu-M合金層104からシングルドメイングラフェン層102を剥離し、剥離したシングルドメイングラフェン層102を基板101に転写する。Cu-M合金層104上に形成したシングルドメイングラフェン層102は、Cu-M合金層104と化学的に結合していないため、容易に剥離することができ、基板101に転写することができる。剥離方法としてはシリコンゴムなどによるスタンプやCu-M合金層104のエッチング、樹脂などによるコーティング後の剥離、Cu-M合金層104の還元電位差を利用した分離方法、レーザー剥離、加熱冷却法などが挙げられる。また、ポリマーを塗布、乾燥して剥がし、基板101に転写することができる。これに限定されず、シングルドメイングラフェンが汚染されにくく、破れなどの形状破壊が少なく、シングルドメイングラフェン層102の位置が設計位置からずれにくい方法であればその他の転写法を用いてもよい。
In the peeling / transfer step, the single
また、シングルドメイングラフェン層102を剥離するための犠牲層を形成してもよい。犠牲層としてはセラミックスや化合物、金属などの材料を用いることができるが、Cu―M合金層やシングルドメイングラフェン層102形成時の熱処理温度に耐え、エッチングなどにより溶解、分解されて除去可能な材料を用いることが好ましい。
Further, a sacrificial layer for peeling off the single
剥離・転写工程の一例では、図11に示すように、複数のCu-M合金層104を覆うように基板103上に樹脂層105を形成する。その後、図12に示すように、樹脂層105の基板103の接着面の反対面に支持基板106を接着する。その後、図13に示すように、基板103から樹脂層105を剥離するとともにシングルドメイングラフェン層102からCu-M合金層104を剥離する。その後、図14に示すように、剥離したシングルドメイングラフェン層102を基板101に転写する。
In an example of the peeling / transfer step, as shown in FIG. 11, the
さらに、シングルドメイングラフェン層102の上に電極を形成することにより電子素子を形成することができる。さらにシングルドメイングラフェン層102の表面を官能基などで修飾することにより、特定のガスへの応答性を付与できるうえに、極めて低濃度なガスも検出可能な化学センサを作製することができる。
Further, an electronic element can be formed by forming an electrode on the single
以上のように、実施形態の基材の製造方法例では、シングルドメイングラフェンの形成に好適な最近接原子間距離を有する単結晶のCu-M合金層を基板上に形成し、Cu-M合金層上にグラフェンをエピタキシャル成長させる。 As described above, in the example of the method for producing a base material of the embodiment, a single crystal Cu—M alloy layer having a distance between closest atoms suitable for forming single domain graphene is formed on a substrate, and a Cu—M alloy is formed. Graphene is epitaxially grown on the layer.
従来の単層グラフェンの形成方法例としては、例えばテープなどでグラファイトから剥離する方法が挙げられる。しかしながら、上記方法は量産性が低く、実用化が困難である。また、大面積の単層グラフェンシートを作製するために金属箔上にCVD法でグラフェンを成長させる方法が挙げられるが、一般に単層グラフェンは銅箔状に形成するため、品質は銅の結晶状態によって変わる。一般に銅金属箔の方位はランダムで、粒界や表面凹凸などが生じ、均一な表面状態ではない。かつ銅結晶の最近接原子距離とグラフェンの最近接原子間距離と適合しないため、銅表面でグラフェンを成長させる場合はグラフェン層が粒界や欠陥などを有する。これはグラフェン層のキャリア移動度をさせる原因となる。 Examples of conventional methods for forming single-layer graphene include a method of peeling from graphite with tape or the like. However, the above method has low mass productivity and is difficult to put into practical use. Another method is to grow graphene on a metal foil by the CVD method in order to produce a large-area single-layer graphene sheet. However, since single-layer graphene is generally formed in the form of a copper foil, the quality is in the crystalline state of copper. It depends on. Generally, the orientation of the copper metal foil is random, grain boundaries and surface irregularities occur, and the surface condition is not uniform. Moreover, since the distance between the closest atoms of the copper crystal and the distance between the closest atoms of graphene do not match, the graphene layer has grain boundaries and defects when graphene is grown on the copper surface. This causes the carrier mobility of the graphene layer.
従来のグラフェンの形成方法の他の例としては、例えば単結晶サファイア基板上に銅などの金属層をエピタキシャル成長させ、その表面でグラフェンを成長させる方法が挙げられる。しかしながら、所望のキャリア移動度が得られず、かつサファイア基板が高価でありサイズもウエハ形状に制限されるため、量産性が低い。 As another example of the conventional graphene forming method, for example, a method of epitaxially growing a metal layer such as copper on a single crystal sapphire substrate and growing graphene on the surface thereof can be mentioned. However, since the desired carrier mobility cannot be obtained, the sapphire substrate is expensive, and the size is limited to the wafer shape, mass productivity is low.
従来のグラフェンの形成方法の他の例としては、基板上にランダムに散らばったグラファイトの中から単層剥離グラフェンをカメラで観察し、形状を判別してスタンプの要領で転写する方法が挙げられる。しかしながら、形状ばらつきや設置ロス等の問題を有する。また、この方法では1つ1つ単層剥離グラフェンを観察して転写するため、量産性が低い。 As another example of the conventional graphene forming method, there is a method of observing a single-layer exfoliated graphene from graphite randomly scattered on a substrate with a camera, determining the shape, and transferring the graphene in the manner of a stamp. However, it has problems such as shape variation and installation loss. Further, in this method, since the single-layer exfoliated graphene is observed and transferred one by one, the mass productivity is low.
これに対し、実施形態の基材の製造方法では、複数のシングルドメイングラフェン層を同一工程で形成することができる。また、シングルドメイングラフェン層の形成後のパターニング工程の数を少なくでき、シングルドメイングラフェン層の汚染を抑制することができるため、所望のキャリア移動度を有するグラフェンを容易に形成することができる。よって、所望のキャリア移動度を有するグラフェンの量産性を高めることができる。 On the other hand, in the method for producing a base material of the embodiment, a plurality of single domain graphene layers can be formed in the same step. Further, since the number of patterning steps after the formation of the single domain graphene layer can be reduced and the contamination of the single domain graphene layer can be suppressed, graphene having a desired carrier mobility can be easily formed. Therefore, it is possible to increase the mass productivity of graphene having a desired carrier mobility.
(分子検出装置)
上記基材は、例えば分子検出装置に適用することができる。図15は実施形態の分子検出装置を示すブロック図である。図15に示す分子検出装置1は、例えばガス発生元から発生する対象ガス3から対象分子2を検出する装置であり、検出器10と識別器20とを備える。対象分子2を含む対象ガス3は、まず分子検出装置1の検出器10に送られる。ここで、対象ガス3は対象分子2に類似する分子量や分子構造などを有する物質を不純物として含んでいる場合がある。また、空気中に漂う対象分子2は図16に示すように、におい成分や微粒子などの様々な夾雑物4(4a、4b)と混ざった状態で存在することが多い。このような点から、対象ガス3は図16に示すように、予めフィルタ装置5や分子分配装置6などで前処理した後に、分子検出装置1の検出器10に送るようにしてもよい。
(Molecular detector)
The base material can be applied to, for example, a molecule detection device. FIG. 15 is a block diagram showing the molecule detection device of the embodiment. The
前処理装置のうちのフィルタ装置5には、一般的な中高性能フィルタなどが用いられる。フィルタ装置5において、対象ガス3中に含まれる微粒子などの粒子状物質が除去される。フィルタ装置5で粒子状物質が除去された対象ガス3は、分子分配装置6に送られる。分子分配装置6としては、対象ガス3をイオン化してイオン化物質群とし、イオン化物質群に電圧を印加して質量に比例する速度で飛行させ、この質量差による飛行速度およびそれに基づく飛行時間を利用して、イオン化物質群から対象分子2のイオン化物質を分離する装置が例示される。このような分子分配装置6としては、イオン化部、電圧印加部、および飛行時間分離部を備える装置が用いられる。
As the
対象分子2を含む対象ガス3は、直接もしくはフィルタ装置5や分子分配装置6などの装置で前処理された後に検出器10に導かれる。検出器10は、実施形態の基材100を具備し、基材100は、図17に示すように、複数の検出セル111に区画された検出面を備える。なお、図17は検出器10の検出面10Aを分子分配装置6の端部6aに向けて配置した状態を示しているが、検出器10の配置はこれに限られない。複数の検出セル111は、それぞれセンサ11およびセンサ11に設けられた有機物プローブ12を有する検出素子13を備える。図17はセンサ11にグラフェン電界効果トランジスタ(GFET)を用いた検出素子13を示している。センサ11はGFETに限定されず、カーボンナノチューブを用いた電界効果トランジスタ、弾性表面波センサなどであってもよい。
The
GFETは、ゲート電極としての機能を有する半導体基板101aと、ゲート電極上にゲート絶縁層としての機能を有する絶縁膜102bと、を備える基板101と、ゲート絶縁層15上にチャネル形成領域としての機能を有するシングルドメイングラフェン層102と、シングルドメイングラフェン層102に接続されたソース電極17と、シングルドメイングラフェン層102に接続されたドレイン電極18とを備える。ゲート電極は、シングルドメイングラフェン層102に重畳し、バックゲートとして用いられる。ソース電極17またはドレイン電極18は、例えば金(Au)を用いて形成してもよい。また、ゲート絶縁層15との密着性を向上させる目的でチタン(Ti)やクロム(Cr)などを数nm程度蒸着することによりソース電極17またはドレイン電極18を形成してもよい。
The GFET has a
シングルドメイングラフェン層102上には、有機物プローブ12が設けられている。有機物プローブ12には、対象分子2と選択的に結合する有機化合物が用いられる。検出器10に導かれた対象分子2は、シングルドメイングラフェン層102上の有機物プローブ12に捕捉される。若干の不純物は有機物プローブ12との間で相互作用を得られず、検出素子13には捕捉されない。有機物プローブ12に捕捉された対象分子2からGFETに電子が移動することで電気的な検出が行われる。これによって、目的とする対象分子2を選択的に検出する。
An organic probe 12 is provided on the single
図18ないし図20は、GFETの構造例を示す模式図である。図18に示すGFETは、平面視において正六角形状を有するシングルドメイングラフェン層102の対角に重なるようにソース電極17およびドレイン電極18が設けられている。図19に示すGFETは、平面視において正六角形状のシングルドメイングラフェン層102の対辺に重なるようにソース電極17およびドレイン電極18が設けられている。図20に示すGFETは、平面視において正三角形状のシングルドメイングラフェン層102の一辺とその対角に重なるようにソース電極17およびドレイン電極18が設けられている。
18 to 20 are schematic views showing a structural example of a FET. The FET shown in FIG. 18 is provided with a
有機物プローブ12を構成する有機物は溶剤に溶ける性質を有するため、溶剤に溶かした溶液として塗布することでシングルドメイングラフェン層102に有機物プローブ12を設置することができる。有機物プローブ12はグラフェンと相互作用を得られやすくするために、ピレン環のような構造を有した部位を有することが好ましい。ピレン環のような構造を有する分子はグラフェンの炭素が構成する六角形状のπ電子系と相互作用を持ち、いわゆるπ―πスタッキングと呼ばれる相互作用状態を形成する。低濃度のプローブ分子を溶媒に溶かしてグラフェンに塗布すると、ピレン環とグラフェンとの間でπ―πスタッキングが形成され、グラフェン上にプローブ分子が整列して固定化される。このような自己配列作用を利用してシングルドメイングラフェン層102上に有機物プローブ12を設置することができる。
Since the organic substance constituting the organic substance probe 12 has a property of being soluble in a solvent, the organic substance probe 12 can be installed on the single
シングルドメイングラフェン層102上に設けられた有機物プローブ12に対象分子2が捕捉されると、GFETの出力が変化する。グラフェンが単層でありゼロギャップとなっているため、通常はソース電極17とドレイン電極18との間に電気が流れ続けている。ゲート絶縁層15がシリコン酸化膜程度の誘電率の場合には、ソース電極17とドレイン電極18との間に電気が流れ続けることが多い。
When the
有機物プローブ12の近傍に飛来した対象分子2は、水素結合の力により有機物プローブ12に引き付けられて、場合によっては接触する。対象分子2の接触が起こると、有機物プローブ12との間で電子のやり取りが発生し、有機物プローブ12が接しているシングルドメイングラフェン層102に電気的変化を伝える。有機物プローブ12からシングルドメイングラフェン層102に伝えられた電気的な変化は、ソース電極17とドレイン電極18との間の電気の流れを乱すため、GFETがセンサ11として機能する。
The
シングルドメイングラフェン層102を用いたGFETによれば、極僅かな電気変化であっても顕著に出力として現れる。従って、高感度な検出素子13を構成することができる。GFETを用いたセンサ11は、グラフェンがゼロギャップ半導体としての性質を有することから、ゲート電極に電圧を加えなくともソース電極17とドレイン電極18との間に電流が流れる傾向もみられる。このままでもセンサ11として機能するが、通常はゲート電極に電圧を加えた状態でソース電極17とドレイン電極18との間に電流を流し、有機物プローブ12で対象分子2を捕捉した際のゲート電極の電気的変化を観測する。
According to the FETF using the single
図21は分子検出装置1による対象分子2の検出波形の一例を示している。有機物プローブ12が対象分子2を捕捉すると、検出波形に図21に示すような変化が現れる。検出波形の信号強度への変換は種々の方法が考えられるが、例えば図21におけるP1とP2、およびピークの先端であるP3との面積から算出した値を強度として設定する。ただし、必ずしもこの方法に限定されない。
FIG. 21 shows an example of the detection waveform of the
上記した検出素子13による対象分子2の検出において、有機物プローブ12に捕捉された対象分子2からGFETへの電子の移動が高いほどセンサ11としての機能が高くなる。GFETを用いたセンサ11は、最も高感度なFETセンサとされており、カーボンナノチューブを用いたセンサと比べて3倍ほど感度を向上させることができる。従って、GFETと有機物プローブ12とを組み合わせた検出素子13を用いることによって、対象分子2の高感度な検出が可能になる。
In the detection of the
図22は検出器10の検出面10Aを6つの検出セル、すなわち検出セルA、検出セルB、検出セルC、検出セルD、検出セルEおよび検出セルFに分割した6角格子状センサを示している。検出セルA~Fのうち、少なくとも一部には種類が異なる官能基を有する有機物プローブ12、すなわち対象分子2との結合強度が異なる複数の有機物プローブ12が設けられている。複数の有機物プローブ12は、それぞれ対象分子2と相互作用するが、対象分子2との結合強度が異なるため、強度が異なる検出信号が出力される。検出セルA~Fからの検出信号は、それぞれ有機物プローブ12の対象分子2との結合強度により信号強度が異なっている。
FIG. 22 shows a hexagonal grid-like sensor in which the
検出セルA~Fで検出された信号は、識別器20に送られて信号処理される。識別器20は、検出セルA~Fからの検出信号を強度に変換し、これら検出信号の強度差に基づく信号パターン(例えば図23に示す6つの検出信号のパターン)を解析する。識別器20には、検出する物質に応じた信号パターンが記憶されており、これら信号パターンと検出セルA~Fで検出された信号パターンとを比較することによって、検出器10で検出された対象分子2の識別が行われる。このような信号処理を、ここではパターン認識法と呼ぶ。パターン認識法によれば、例えば指紋検査のように対象物特有の信号パターンにより対象分子2を検出および識別することができる。従って、pptからppbオーダーの極低濃度のガス成分(対象分子2)を選択的にかつ高感度に検出することができる。
The signals detected in the detection cells A to F are sent to the
上述したパターン認識法を適用することによって、検出器10に導かれる対象ガス3に不純物が混入しているような場合においても、対象分子2を選択的にかつ高感度に検出および識別することができる。また、対象分子2の種類により検出セルA~Fで検出される信号パターンが異なるため、パターン認識法を適用することで、分子量が近く、また構成元素も似通っている不純物が混入していても、検出対象の物質を選択的にかつ高感度に検出することができる。
By applying the pattern recognition method described above, it is possible to selectively and highly sensitively detect and identify the
分子検出装置1で得られた対象分子2の検出および識別結果は、情報ネットワークを介して送信して活用するようにしてもよい。図24は対象分子2の検出情報を情報ネットワークを介して送信する機能、および検出情報と情報ネットワークから取得する参照情報とを照合する機能から選ばれる少なくとも1つを備える情報処理部30が付属または内設された分子検出装置1を示している。情報処理部30は、対象分子2の検出情報を送信する情報送信部31と、参照情報を受信する情報受信部32と、検出情報を参照情報と照合する情報照合部33とを具備している。情報処理部30は、情報送信機能と情報受信および照合機能のうちの一方のみを有していてもよい。
The detection and identification results of the
対象分子2の検出情報は、情報送信部31からネットワークNを介して情報利用者に伝達される。また、対象分子2の検出情報を既存の参照情報と照合するために、ネットワークNを介して情報受信部32により参照情報を取得する。取得した参照情報は、情報照合部33により検出情報と照合される。情報を外部のネットワークNから取得して参照することで、多くの情報を持ち歩いて解析する機能を外部に代替できるため、分子検出装置1を小型化して携帯性を高めることができる。さらに、ネットワークNを利用することで、パターン認識法における新たな信号パターンを即時に取得することもできる。情報を受信した側では、この情報を基に次の行動を起こすことができる。携帯型の分子検出装置1を各所に配置しておき、得られるデータを各所から集めて分析し、異常事態の避難誘導などに役立てるといった使い方ができる。ネットワークNと分子検出装置1とを結合することで、従来では達し得なかった多くの使い方が生み出され、産業的な価値が向上する。
The detection information of the
実施形態の分子検出装置1によれば、pptからppbオーダーの極低濃度のガス成分分子を選択的にかつ高感度に検出することができる。さらに、検出器10および識別器20により検出感度および検出精度を高めることで、分子検出装置1を小型化することができる。従って、携帯性と検出精度とを両立させた分子検出装置1を提供することが可能になる。
According to the
(実施例1)
100mm角の石英基板に厚さ20nm程度のセラミックス層を形成し、フォトリソグラフィ技術を用いてAu:Cu=4:1の組成比を有する直径10μmの円形のCu-Au合金層を複数形成し、電気炉内で水素雰囲気、1000℃で3時間アニール後、徐冷した。取り出すとCu-Au合金層は平面視において正六角形状を有していた。低速電子線回折(Low Energy Electron Diffraction:LEED)像から、6つの等間隔またはやや幅を広げて並んだスポットを確認し、Cu-Au合金層が単結晶構造を有することがわかった。別位置のCu-Au合金層は前述のCu-Au合金層と異なる角度に基板を回転させたときスポットが見られ、2つのCu-Au合金層の面内配向性はランダムであることがわかった。
(Example 1)
A ceramic layer having a thickness of about 20 nm was formed on a 100 mm square quartz substrate, and a plurality of circular Cu—Au alloy layers having a diameter of 10 μm having a composition ratio of Au: Cu = 4: 1 were formed using photolithography technology. After annealing in a hydrogen atmosphere at 1000 ° C. for 3 hours in an electric furnace, the mixture was slowly cooled. When taken out, the Cu—Au alloy layer had a regular hexagonal shape in plan view. From the Low Energy Electron Diffraction (LED) image, six spots lined up at equal intervals or slightly wider were confirmed, and it was found that the Cu—Au alloy layer had a single crystal structure. Spots were seen in the Cu-Au alloy layer at different positions when the substrate was rotated at a different angle from the Cu-Au alloy layer described above, and it was found that the in-plane orientation of the two Cu-Au alloy layers was random. rice field.
次に、CVDによりCu-Au合金層上にグラフェンを成膜した。炭素原料にメタンガスを用い、900℃の成膜温度でグラフェンを成膜した。成膜したグラフェンを確認したところ、平面視においてCu-Au合金層と同等のサイズの正六角形状を有していた。 Next, graphene was formed on the Cu—Au alloy layer by CVD. Using methane gas as a carbon raw material, graphene was formed at a film forming temperature of 900 ° C. When the formed graphene was confirmed, it had a regular hexagonal shape having the same size as the Cu—Au alloy layer in a plan view.
次にCu-Au合金層からグラフェンを剥離して別の基板にグラフェンを転写した。まず、PMMAをスピンコートしてベーキングを行い、支持基板としてPMMAを塗布したプラスチック基板を接着した。酸溶液中に浸漬し、プラスチック基板の端から犠牲層と金属層を溶解しながら少しずつ剥離した。シングルドメイングラフェン層は酸化シリコン/シリコン基板に密着させ、プラスチック基板、PMMAを溶解除去した。 Next, graphene was peeled off from the Cu—Au alloy layer and graphene was transferred to another substrate. First, PMMA was spin-coated and baked, and a plastic substrate coated with PMMA was adhered as a support substrate. It was immersed in an acid solution and gradually peeled off from the edge of the plastic substrate while dissolving the sacrificial layer and the metal layer. The single domain graphene layer was brought into close contact with the silicon oxide / silicon substrate, and the plastic substrate and PMMA were dissolved and removed.
フォトリソグラフィ技術を用いてAu/Tiを蒸着してソース電極、ドレイン電極を形成した。グラフェン層に官能基化したピレン誘導体溶液を接触させ、グラフェンとピレン誘導体のピレン部をπスタックにより結合した。これによりGFETを用いた検出素子を作製した。 Au / Ti was vapor-deposited using a photolithography technique to form a source electrode and a drain electrode. The functionalized pyrene derivative solution was brought into contact with the graphene layer, and the graphene and the pyrene portion of the pyrene derivative were bonded by a π stack. As a result, a detection element using a FETC was manufactured.
作製したグラフェン層のキャリア移動度を測定したところ、約10000cm2/Vsであった。また、作製した検出素子は、pptオーダーに希釈したC剤模擬ガスの検出が可能となり、高感度ガスセンサとして機能した。 When the carrier mobility of the produced graphene layer was measured, it was about 10,000 cm 2 / Vs. In addition, the manufactured detection element was able to detect the C agent simulated gas diluted to the order of ppt, and functioned as a high-sensitivity gas sensor.
(比較例1)
4インチのSiO/SiウエハにCVDにより単層グラフェンを形成し、フォトリソグラフィ技術を用いてレジストを5μm角にパターニングし、反応性イオンエッチング(Reactive Ion Etching:RIE)により単層グラフェンを複数のグラフェン層にパターニングした。レジストを除去後、フォトリソグラフィ技術を用いてAu/Tiを蒸着してソース電極、ドレイン電極を形成した。レジストのリフトオフ後、グラフェン層に官能基化したピレン誘導体溶液を接触させ、グラフェンとピレン誘導体のピレン部をπスタックにより結合した。これによりGFETを用いた検出素子を作製した。
(Comparative Example 1)
Single-layer graphene is formed on a 4-inch SiO / Si wafer by CVD, the resist is patterned into 5 μm squares using photolithography technology, and multiple graphenes are formed by reactive ion etching (RIE). The layers were patterned. After removing the resist, Au / Ti was vapor-deposited using a photolithography technique to form a source electrode and a drain electrode. After lift-off of the resist, the functionalized pyrene derivative solution was brought into contact with the graphene layer, and the graphene and the pyrene portion of the pyrene derivative were bonded by a π stack. As a result, a detection element using a FETC was manufactured.
作製されたグラフェン層のキャリア移動度を測定したところ、約700cm2/Vsであった。また、作製した検出素子は、pptオーダーに希釈したC剤模擬ガスの検出はできなかった。 When the carrier mobility of the produced graphene layer was measured, it was about 700 cm 2 / Vs. In addition, the manufactured detection element could not detect the C agent simulated gas diluted to the order of ppt.
(比較例2)
4インチのSiO/Siウエハにスコッチテープにより剥離、転写した単層剥離グラフェンにレジストを塗布し、フォトリソグラフィ技術を用いてAu/Tiを蒸着してソース、ドレイン電極を形成した。レジストのリフトオフ後、グラフェン層に官能基化したピレン誘導体溶液を接触させ、グラフェンとピレン誘導体のピレン部をπスタックにより結合した。これによりGFETを用いた検出素子を作製した。
(Comparative Example 2)
A resist was applied to the single-layer peeled graphene peeled and transferred by scotch tape on a 4-inch SiO / Si wafer, and Au / Ti was vapor-deposited using photolithography technology to form source and drain electrodes. After lift-off of the resist, the functionalized pyrene derivative solution was brought into contact with the graphene layer, and the graphene and the pyrene portion of the pyrene derivative were bonded by a π stack. As a result, a detection element using a FETC was manufactured.
作製されたグラフェン層のキャリア移動度を測定したところ、約2000cm2/Vsであった。また、作製した検出素子は、pptオーダーに希釈したC剤模擬ガスの検出はできなかった。 When the carrier mobility of the produced graphene layer was measured, it was about 2000 cm 2 / Vs. In addition, the manufactured detection element could not detect the C agent simulated gas diluted to the order of ppt.
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない上述したこれら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行なうことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 Although some embodiments of the present invention have been described, these novel embodiments are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention. It can be carried out in various forms, and various omissions, replacements and changes can be made without departing from the gist of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are also included in the scope of the invention described in the claims and the equivalent scope thereof.
1…分子検出装置、2…対象分子、3…対象ガス、4…夾雑物、5…フィルタ装置、6…分子分配装置、6a…端部、10…検出器、10A…検出面、11…センサ、12…有機物プローブ、13…検出素子、17…ソース電極、18…ドレイン電極、20…識別器、30…情報処理部、31…情報送信部、32…情報受信部、33…情報照合部、100…基材、101…基板、101a…半導体基板、101b…絶縁膜、102…シングルドメイングラフェン層、103…基板、104…Cu-M合金層、104a…結晶相、104b…結晶粒界、105…樹脂層、106…支持基板、111…検出セル。 1 ... Molecule detector, 2 ... Target molecule, 3 ... Target gas, 4 ... Contaminants, 5 ... Filter device, 6 ... Molecular distributor, 6a ... End, 10 ... Detector, 10A ... Detection surface, 11 ... Sensor , 12 ... Organic probe, 13 ... Detection element, 17 ... Source electrode, 18 ... Drain electrode, 20 ... Discriminator, 30 ... Information processing unit, 31 ... Information transmission unit, 32 ... Information receiving unit, 33 ... Information collation unit, 100 ... Substrate, 101 ... Substrate, 101a ... Semiconductor substrate, 101b ... Insulation film, 102 ... Single domain graphene layer, 103 ... Substrate, 104 ... Cu—M alloy layer, 104a ... Crystal phase, 104b ... Crystal grain boundary, 105 ... resin layer, 106 ... support substrate, 111 ... detection cell.
Claims (9)
前記基板上に並置された複数のシングルドメイングラフェン層と、を具備し、
前記複数のシングルドメイングラフェン層は、平面視において前記シングルドメイングラフェン層の中心点を中心とする3n回転対称形状(nは自然数)を有し、
前記複数のシングルドメイングラフェン層は、炭素原子の六員環構造を有する結晶相を備え、
前記複数のシングルドメイングラフェン層の前記結晶相は、互いに異なる方向に配向する電子素子。 With the board
A plurality of single domain graphene layers juxtaposed on the substrate are provided.
The plurality of single-domain graphene layers have a 3n rotationally symmetric shape (n is a natural number) centered on the center point of the single-domain graphene layer in a plan view .
The plurality of single domain graphene layers have a crystalline phase having a six-membered ring structure of carbon atoms.
The crystal phases of the plurality of single domain graphene layers are electronic devices oriented in different directions from each other .
前記基板上に並置された複数のシングルドメイングラフェン層と、を具備し、
前記複数のシングルドメイングラフェン層は、平面視において正六角形状を有し、
前記複数のシングルドメイングラフェン層は、炭素原子の六員環構造を有する結晶相を備え、
前記複数のシングルドメイングラフェン層の前記結晶相は、互いに異なる方向に配向する電子素子。 With the board
A plurality of single domain graphene layers juxtaposed on the substrate are provided.
The plurality of single domain graphene layers have a regular hexagonal shape in a plan view and have a regular hexagonal shape.
The plurality of single domain graphene layers have a crystalline phase having a six-membered ring structure of carbon atoms.
The crystal phase of the plurality of single domain graphene layers is an electronic element oriented in different directions from each other .
前記電子素子は、複数の検出セルを有し、
前記複数の検出セルは、前記複数のシングルドメイングラフェン層の一つと、前記シングルドメイングラフェン層に接続されたソース電極と、前記シングルドメイングラフェン層に接続されたドレイン電極と、前記シングルドメイングラフェン層に重畳するゲート電極と、を有する電界効果トランジスタを備える、分子検出装置。 The electronic element according to any one of claims 1 to 6 is provided.
The electronic element has a plurality of detection cells and has a plurality of detection cells.
The plurality of detection cells are formed on one of the plurality of single domain graphene layers, a source electrode connected to the single domain graphene layer, a drain electrode connected to the single domain graphene layer, and the single domain graphene layer. A molecule detection device comprising a field effect transistor with a superposed gate electrode.
前記対象分子との結合強度が異なる複数の有機物プローブを有する、請求項8に記載の分子検出装置。 The at least one organic probe
The molecule detection device according to claim 8 , further comprising a plurality of organic probes having different binding strengths with the target molecule.
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