【公開日：2025.06.10】【最終更新日：2025.04.15】

課題データ / Project Data

課題番号 / Project Issue Number

24AT0169

利用課題名 / Title

Graphene/h-BN/Ni積層構造平面型電子放出デバイスの開発

利用した実施機関 / Support Institute

産業技術総合研究所 / AIST

機関外・機関内の利用 / External or Internal Use

内部利用（ARIM事業参画者以外）/Internal Use (by non ARIM members)

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）次世代ナノスケールマテリアル/Next-generation nanoscale materials（副 / Sub）-

キーワード / Keywords

ナノカーボン/ Nano carbon,ALD,CVD,原子層薄膜/ Atomic layer thin film

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)

村上 勝久

所属名 / Affiliation

国立研究開発法人産業技術総合研究所

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

六川蓮,羽鳥可奈子

ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes

山崎将嗣

利用形態 / Support Type

（主 / Main）機器利用/Equipment Utilization（副 / Sub）,技術代行/Technology Substitution

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

AT-031：原子層堆積装置_1[FlexAL]
AT-030：プラズマCVD薄膜堆積装置

報告書データ / Report

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

我々の研究グループでは、金属/絶縁体/金属(または半導体）積層構造の平面型電子放出デバイスの上部金属電極および絶縁膜中での電子散乱の抑制による放出電子のエネルギー単色化を目的として、上部電極に電子の非弾性散乱断面積が小さく原子レベルの薄膜化が可能なグラフェンを、絶縁層にグラフェンと類似した結晶構造の絶縁体である六方晶窒化ホウ素(h-BN)を用いたGraphene/h-BN積層構造の平面電子放出デバイスの開発を推進している。これまでに、Graphene/h-BN/Si積層構造を用いることで、放出電子のエネルギー幅0.18 eV（半値幅）を達成した[1,2]。これは、従来最もエネルギー単色性の高い電子顕微鏡用の電子銃であるタングステン冷陰極のエネルギー幅(0.3 eV)を凌駕するエネルギー単色性である。しかし、これまでh-BN絶縁層は銅箔に成膜したh-BNをSi基板に転写して形成していたため量産性に課題があった。また、転写工程での絶縁層のひび割れや多結晶h-BNの粒界を介したリーク電流により電子放出効率が0.05%程度と低い。本研究では、h-BN絶縁層の高結晶化によるリーク電流低減と電子放出効率の向上を目的として、Ni(111)上にエピタキシャル成長した高結晶h-BNを絶縁層に用いたGraphene/h-BN/Ni積層構造の平面型電子放出デバイスを試作した。

実験 / Experimental

h-BN成長基板としてc面サファイア基板上へエピタキシャル成長した単結晶Ni(111)を用いた。500度の加熱スパッタによりNiを500nm成膜し、その後Ar+H₂雰囲気中1100度で加熱することにより、Ni(111)/サファイア基板を作製した。Ni(111)基板上にプラズマCVDによりフィールド酸化膜としてSiO₂を堆積した。フォトリソグラフィとSiO₂のウェットエッチングにより電子放出領域をパターニングし、Ni(111)が露出した電子放出エリアのみ膜厚約10nmの多層h-BNをボラジンを原料とした1100度のプラズマCVDにより選択成長した。次に、プラズマCVDにより約3層のグラフェン電極を成膜した。フォトリソグラフィと酸素プラズマエッチングによりグラフェン電極をパターニングし、グラフェン電極へのコンタクト電極としてNi/Ti電極をフォトリソグラフィ、電子ビーム蒸着、リフトオフプロセスにより作製した。作製したデバイスの電子放出特性を電子放出特性評価装置で評価した。

結果と考察 / Results and Discussion

図１に試作したデバイスの模式図と光学顕微鏡写真、図２に電子放出特性を示す。放出電流密度100mA/cm²、電子放出効率最大11％を達成し、エピタキシャル成長した高結晶h-BNを絶縁層に用いることでリーク電流を抑制し、Graphene/h-BN積層構造電子放出デバイスの電子放出効率を0.05%から11%と大幅に向上することに成功した。

図・表・数式 / Figures, Tables and Equations

図１：(a)Graphene/h-BN/Ni積層構造平面型電子放出デバイスの模式図と(b)光学顕微鏡写真。

図２：Graphene/h-BN/Ni積層構造平面型電子放出デバイスの電子放出特性

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

本研究の一部はJSPS科研費、JP21H01401, JP22K18800, JP22K18855, JP24K00954の助成を受けたものです。
【参考文献】1. K. Murakami et al., ACS Appl. Mater. Interfaces 12, 4061 (2020).　2. T. Igari et al., Phys. Rev. Applied 15, 014044 (2021).

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)

口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.

1. R. Mutsukawa, Y. Takao, M. Yamamoto, Y. Neo, H. Murata, M. Nagao, and K. Murakami, High-Current-Density Propellantless Cathode using Graphene/h-BN/Ni-Sapphire Structure, 2025 AIAA SciTech forum, Hyatt Regency Orlando, Florida (USA), 2025.1.6
2. 六川蓮、鷹尾祥典、山本将也、根尾陽一郎、村田博雅、長尾昌善、村上勝久、 Graphene/h-BN/Ni-Sapphire構造を有する平面型電子源作製プロセスの開発、第85回応用物理学会秋季学術講演会、朱鷺メッセほか2会場＆オンライン(新潟県新潟市)、2024年09月17日
3. 六川蓮、鷹尾祥典、山本将也、根尾陽一郎、村田博雅、長尾昌善、村上勝久、 エピタキシャル成長によるGraphene/h-BN積層構造を有する平面型電子源作製プロセスの最適化、電子情報通信学会 電子デバイス研究会、ウインク愛知(愛知県名古屋市)、2024年12月05日
4. 六川蓮、鷹尾祥典、山本将也、根尾陽一郎、村田博雅、長尾昌善、村上勝久、二次元層状物質の積層構造を利用した平面型電子源作製と電子放出特性評価、宇宙輸送シンポジウム、宇宙航空研究開発機構 宇宙科学研究所（神奈川県相模原市）、2025年01月23日

特許 / Patents

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