利用報告書 / User's Reports

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【公開日：2025.06.10】【最終更新日：2025.05.05】

課題データ / Project Data

課題番号 / Project Issue Number

24UT1080

利用課題名 / Title

グラフェンナノスケールデバイスの作製と多層グラフェンの光学特性評価

利用した実施機関 / Support Institute

東京大学 / Tokyo Univ.

機関外・機関内の利用 / External or Internal Use

外部利用/External Use

技術領域 / Technology Area

【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）加工・デバイスプロセス/Nanofabrication（副 / Sub）-

【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）高度なデバイス機能の発現を可能とするマテリアル/Materials allowing high-level device functions to be performed（副 / Sub）次世代ナノスケールマテリアル/Next-generation nanoscale materials

キーワード / Keywords

グラフェン、水素吸蔵,ナノカーボン/ Nano carbon,電子線リソグラフィ/ EB lithography,センサ/ Sensor,高品質プロセス材料/技術/ High quality process materials/technique,原子層薄膜/ Atomic layer thin film,膜加工・エッチング/ Film processing/etching


利用者と利用形態 / User and Support Type

利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)

松井 朋裕

所属名 / Affiliation

アンリツ株式会社先端技術研究所

共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes

鎌田雅博,横澤峻元,越智太亮,岡本明文

ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes
利用形態 / Support Type

（主 / Main）機器利用/Equipment Utilization（副 / Sub）-


利用した主な設備 / Equipment Used in This Project

UT-503：超高速大面積電子線描画装置
UT-606：汎用平行平板RIE装置


報告書データ / Report

概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)

炭素の単原子層薄膜であるグラフェンは優れた電気的・機械的特性をもち、さまざまな分野への応用が期待される物質である。我々はグラフェンのナノスケール加工と、グラフェンに特有のジグザグ端状態を活用したデバイスの研究開発を進めている。これまでに端がジグザグ型に整ったナノスケール構造では特異な熱伝導特性が得られること、そしてジグザグ端に局在した電子状態を介してラマン散乱が増強されることを明らかにしてきた。今年度はこれらの補足実験に加えて、ジグザグ端を有する微細加工グラフェンを用いることによるグラフェン水素センサ性能向上の可能性についての研究を開始した。

実験 / Experimental

グラフェンに加工パターンを電子線描画し、CHF3プラズマによって基板ごと孔を開けた後、独自に開発した水素プラズマエッチング装置を用いて孔を核とした六角形ナノピットをグラフェン上に作製する。この六角形ナノピットの端はsp2結合により水素原子ひとつで終端された原子スケールで整ったジグザグ型であることが分かっている。事前の加工パターンを工夫することで、ジグザグ六角形ナノピットをベースとした多彩なグラフェンのナノスケール構造を作製することができる。作製した素子には電極パターンを電子線描画し、金/クロムを蒸着する。ここでグラフェンの基板にはSiO2 (t = 274 nm)/Si基板を用いている。

結果と考察 / Results and Discussion

本研究で作製するグラフェン素子はグラファイトを基板上に劈開して作製するもので高々10 μm程度の大きさであり、これを微細加工するためには電子線描画のパターンを高い精度で位置合わせする必要がある。昨年度までの微細加工の試行から20mm角サイズの基板に対して、100 nm以下の位置合わせ精度での描画が可能になり、グラフェンを様々な構造に加工できるようになった。微細加工グラフェンやそのジグザグ端が示す特異な熱伝導やラマン散乱の増強効果、そして水素ガスセンシング特性を調べるために、本研究では六角形ナノピットが三角格子状に配されたメッシュ構造にグラフェンを加工した。このメッシュ構造は研究する対象によって、ナノリボンのネットワークとも、アンチドット格子とも考えることができる。六角形ナノピットの端はジグザグ型であることから、本研究ではこれをジグザグ・グラフェン・ナノメッシュ（zGNM）と呼ぶ。図1にzGNMの原子間力顕微鏡像を示す。
パラジウム(Pd)は水素原子を吸蔵する金属として知られているが、グラフェンをPdで修飾することによって水素吸蔵によるPdの物性変化をグラフェンの電気抵抗変化として測定できるため、Pd修飾グラフェンは水素ガスセンサとしての応用が見込まれている。真空中で加熱蒸着されたPdは、グラフェン表面では微粒子として吸着するが、グラフェンの端ではPd微粒子同士が融合して端を濡らすように吸着することが分かった。「富岳」を用いた第一原理計算でも、グラフェン表面よりもジグザグ端のほうがPdクラスターの吸着エネルギーが低く、端に吸着しやすいことが計算されている。グラフェンを介した水素ガスセンシングでは水素吸蔵によるPdの物性変化を測定するので、Pdの量が多いほど水素ガスの検出感度は向上すると考えられる。そこで本研究ではPd修飾zGNMの水素ガスセンシング感度を測定し、単位面積当たりのジグザグ端長とセンシング感度の関係を調べている。十分な結論を得るにはデータが足りていないものの、これまでのところセンシング感度がジグザグ端長に依存する傾向が測定されている。

図・表・数式 / Figures, Tables and Equations


図1　zGNMの原子間力顕微鏡像。コントラストの明るい部分がグラフェン、暗い部分が六角形ナノピットで内側にはSiO2/Si基板が露出している。


その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)

・藤原誠氏には微細加工を、三田吉郎教授、落合幸徳博士には技術相談を支援いただきました。感謝いたします。


成果発表・成果利用 / Publication and Patents

論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)
  1. Masahiro Kamada, Comprehensive study of optical contrast, reflectance, and Raman spectroscopy of multilayer graphene, Carbon Trends, 16, 100389(2024).
    DOI: http://doi.org/10.1016/j.cartre.2024.100389
口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.
  1. 横澤峻元 他、第85回 応用物理学会 秋季学術講演会(新潟)、令和6年9月18日
  2. 横澤峻元、松井朋裕、第85回 応用物理学会 秋季学術講演会(新潟)、令和6年9月18日
  3. T. Matsui, Graphene Technology and 2D Materials (online), 2024.08.22.
  4. Taisuke Ochi, Tomohiro Matsui, Graphene week 2024 (Prague, Czech Republic), 2024.10.15.
  5. Taisuke Ochi, Tomohiro Matsui, The 10th International Symposium on Surface Science (Kita-kyushu, Japan), 2024.10.22.
  6. Takamoto Yokosawa, Tomohiro Matsui, The 10th International Symposium on Surface Science (Kita-kyushu, Japan), 2024.10.22.
特許 / Patents

特許出願件数 / Number of Patent Applications：3件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件

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