研究内容 〜高度に構造制御された高密度ナノカーボン材料の開発〜
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グラフェンは、現在世界で最も注目される物質の筆頭であり、グラフェン単層を初めて単離した研究者らは、2010年ノーベル物理学賞を受賞しました。
グラフェンは、蜂の巣格子点に炭素原子を配置した、厚さ1原子層の理想的2次元炭素物質です。グラフェンを円筒状に丸めると、後述するカーボンナノチューブとなります。
この数年、グラフェンに関する出版論文数は急増しており、2014年には1年間に12,000本以上、すなわち毎日50本もの論文が出版されています。
グラフェン中の電子は、質量ゼロの相対論的粒子として特徴づけられ、室温での異常量子ホール効果など特異な量子物性現象が数多く報告されています。
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また、応用の観点からも、外的擾乱がなければ500,000cm2/Vsもの電子移動度を有しうることが実験的に示されており、シリコンCMOSに変わる次世代LSI材料として非常に期待されています。
例えば、韓国Samsungグループはグラフェン透明導電膜を用いたスマートフォンを開発中であり、米国IBMグループはSiC上グラフェンを用いて最高の遮断周波数300GHzを持つ高周波トランジスタや集積回路の動作に成功しています。我々が使用している一般的なPCの動作周波数が3GHz程度ですので、300GHzトランジスタはその100倍高速動作することになります。
その他にも、ノキアはグラフェンをセンサーに用いたデジタルカメラを開発中で、グラフェンを使ったテニスラケットやスマートフォンカバーはすでに市販されています。
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SiC表面分解法を用いると、SiC基板上に高品質・大面積のグラフェンを形成することができます。この手法では、SiCを加熱することで表面からSiのみが除去され、その際に残存したC原子が、半絶縁性基板であるSiC表面に自発的にグラフェン化します。我々は、このSiC上グラフェンにおける構造と物性の解明と応用への検討を目標に研究を行っています。
(W. Norimatsu and M. Kusunoki, Chem. Phys. Lett., 468, 52 (2009)., 日本結晶学会誌, 51, 313 (2009)., Physica E, 42, 691 (2010)., Phys. Rev. B, 81, 161410 (2010)., 日本結晶成長学会誌, 37, 196 (2010)., Phys. Rev. B, 84, 035424 (2011).)
我々が行ってきたSiC表面上グラフェンの研究成果は、グラフェンの教科書『Graphene: Fundamentals and emergent applications』に、グラフェン研究における"Key findings"の一つとして、図入りで詳しく紹介されています（P.11, P.207, P.289）。
SiC上グラフェンの詳細について、解説論文を出版していますので、ご覧ください。
1. SiC上エピタキシャルグラフェンのアドバンテージと将来展望(Phys. Chem. Chem. Phys.誌)
2. エピタキシャルグラフェンの構造的特徴と成長機構(J. Phys. D: Appl. Phys.誌)
3. SiC上グラフェンの成長機構に関する実験・計算結果(Semicond. Sci. Tech.誌, 2014 Highlight, free download) |
SiC表面上グラフェンでは、高品質なグラフェンを、層数を精密に制御して、半絶縁性基板であるSiC上に直接成長させることが可能です。
右図は、我々独自の手法によるグラフェン成長後の表面形態を原子間力顕微鏡で観察したものです。表面は全てグラフェンで覆われています。成長後でも、ステップ高さは1nm未満に抑えられ、原子レベルで平坦な表面形態を維持しています。本手法は、国際特許出願しています（国際出願番号PCT/JP2009/004200）。
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当研究室では、SiC表面分解法により作製した高密度・高配向カーボンナノチューブ（CNT）を用いた新規ナノカーボン材料の研究・開発を行っています。
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| 炭素原子から成る円筒状の物質であるCNTは、その構造の特徴や優れた電気的・機械的特性を活かした様々な応用が期待されています。例えば、電池材料や電界電子放出源、電界効果トランジスタなどへの実用化を目指した研究が世界中で盛んに行われています。 |
我々のグループでは、SiC結晶を真空中で加熱することにより、表面からSi原子が除去され、残ったC原子がCNTを形成するというSiC表面分解法を用いてCNTを作製し、その形成過程の解明や構造・特性の制御を目指しています。
(M. Kusunoki, et al., Appl. Phys. Lett., 71, 2620 (1997), Appl. Phys. Lett., 77, 531 (2000), Chem. Phys. Lett., 366, 458 (2002).) |
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SiC表面分解法で作製したCNTの特徴として、
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１．Zigzag型のCNTが超高密度・高配向に成長する
２．CNTの長さの制御が可能である
３．基板であるSiCと原子レベルで強固に密着している
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具体的な研究内容は、例えばCNTの一部のC原子を他の原子で置換したナノチューブの作製とその評価や、SiC粉末からのCNT作製、CNT直径の制御、CNT/SiC複合材の放熱応用
(乗松,楠, NEW DIAMOND, 25, 30 (2009)., INTEC "Electronic properties of carbon nanotube", Ch. 2.)などです。 |
| 元素置換ナノチューブをうまく制御して作ることができれば、ドープ量の変化に伴って、電気的・熱的特性を自在にコントロールできる可能性があります。 |
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SiCを完全に分解して、カーボンナノチューブの膜を作ることも可能です。
このカーボンナノチューブ膜は、磁石に浮きます。これは、カーボンナノチューブが反磁性という性質を持つためです。反磁性物質は、磁場に対して逆方向に磁化するため、磁石のN極に近づけるとその面がN極になり、反発して磁気浮上します。超伝導リニアモーターカーが浮くのと同じ原理です。
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