室温・大気中グラフェンナノリボン合成と トランジスタ応用

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1 室温・大気中グラフェンナノリボン合成と トランジスタ応用
野内 亮 大阪府立大学　ナノ科学・材料研究センター

2 表面効果：外来分子の吸着 究極的な薄さ  高い表面対体積比  大きな表面効果 センサー応用 ゲート電圧による吸着制御
[Schedin et al., Nat. Mater. 6, 652 (2007).] 吸着に伴う抵抗変化 二層グラフェンへの環境分子 (O2) の吸着 ゲート電圧による吸着制御 [Sato et al., Nano Lett. 11, 3468 (2011).] 究極的な薄さ  ゲート電界の侵入  膜厚方向全体の制御 2

3 FET構造を利用してグラフェンの表面反応を制御する。
表面反応：例. 紫外光による酸化 C-C結合のsp2からsp3への再混成 酸素によるp型ドーピング UV/ozone treatment VDiracの正ゲート方向へのシフト 酸素官能基による表面修飾 [Güneş et al., Nano Brief Rep. Rev. 6, 409 (2011).] [Zhang et al., Appl. Phys. Lett. 101, (2012).] FET構造を利用してグラフェンの表面反応を制御する。 3

4 予備実験の結果 金属電極 Si/SiO2 光ファイバー スポット径 > 素子サイズ 実験室環境下 Si/SiO2
機械的剥離法 & 電子線リソグラフィー グラファイト薄片 Graphite 粘着テープ 劈開 金属電極 (Cr 1 nm/Au 60 nm) Si/SiO2 単層グラフェン Si/SiO2 UV 光ファイバー UV光照射 (1 W cm−2) スポット径 > 素子サイズ 実験室環境下 (大気中, 室温, 相対湿度45%) 4

5 +60 V : スペクトル形状の変化無し −60 V : Dバンドが端近傍で誘起 FET構造でグラフェン光酸化の制御に成功 Si/SiO2
ゲート電圧 (VG) ドレイン電流 (ID) ドレイン電圧 (VSD) A UV VGとVSDを印加しながらUV照射 Ramanマッピング 1 mV 20分の照射後 +60 V or −60 V VG = −60 V +60 V : スペクトル形状の変化無し −60 V : Dバンドが端近傍で誘起 FET構造でグラフェン光酸化の制御に成功 [Mitoma, Nouchi, APL 103, (2013).] 5

6 目的 端から中へ（狭細化） Si/SiO2 UV照射 + O2吸着のゲート電圧制御  ゲート制御された端選択的な光酸化反応 UV 
　　 ゲート制御された端選択的な光酸化反応 Si/SiO2 A UV 端から中へ（狭細化）  グラフェンのナノリボン化 報告されているナノリボン化手法の例： リソグラフィーによるパターニング 有機化学的手法によるボトムアップ合成 カーボンナノチューブの切開 特殊ガス雰囲気下における高温処理 グラフェンの室温・大気中におけるナノリボン化手法の開発とトランジスタ応用

7 （n : No. of carriers involved）
まずやるべきこと 反応速度の精密な制御（nm/min程度）  種々のパラメータへの反応速度依存性の解明 Drain current ID A Gate voltage VG Drain voltage VD Temperature Humidity Joule heat: Temperature increase∝I D2 Carrier-adsorbate interaction: Reaction rate∝I Dn （n : No. of carriers involved） e− − + Gate electric field： 　　Adsorbate orientation Environment： Carrier concentration Fermi level Substrate

8 水の影響：例. Raman用レーザー光による酸化
G Wet基板上 Dry基板上 D After 5 h; Laser: 7.7 mW 基板上水分子  Dが増強 実験環境中の相対湿度の制御必要 [Mitoma, Nouchi, Tanigaki, JPCC 117, 1453 (2013).] 8

9 基板の影響：例. アリール付加反応 基板種による違いの調査 引張歪み（リップル）  反応性高 電荷パドル  反応性高
[Fan, Nouchi, Tanigaki, JPCC 115, (2011).] 電荷パドル  反応性高 基板種による違いの調査 9

10 グラフェン形状の影響 狭窄部（電流密度高い；Joule熱？） 反応速い 形状を統一して議論する必要性 10

11 まとめ Si/SiO2 共同研究の可能性 UV照射 + O2吸着のゲート電圧制御  端選択的光酸化反応のゲート制御
A UV 端選択的酸化反応による室温大気中に おけるグラフェンナノリボン化 種々のパラメータへの反応速度依存性 湿度・基板・グラフェン形状の効果 共同研究の可能性 平坦な絶縁性基板（BN） 大面積単一ドメイングラフェン 含酸素基の同定（ナノESCA）