【公開日：2025.06.10】【最終更新日：2025.05.23】
課題データ / Project Data
課題番号 / Project Issue Number
24NU0004
利用課題名 / Title
TEMによるグラフェン／ダイヤモンド接合のイメージング
利用した実施機関 / Support Institute
名古屋大学 / Nagoya 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）計測・分析/Advanced Characterization（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）量子・電子制御により革新的な機能を発現するマテリアル/Materials using quantum and electronic control to perform innovative functions
キーワード / Keywords
電子顕微鏡/ Electronic microscope,フォトニクスデバイス/ Nanophotonics device,エレクトロデバイス/ Electronic device,フォトニクス/ Photonics
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)
植田 研二
所属名 / Affiliation
早稻田大学 大学院情報生産システム研究科
共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes
武藤俊介
ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes
荒井重勇
利用形態 / Support Type
（主 / Main）共同研究/Joint Research（副 / Sub）-
利用した主な設備 / Equipment Used in This Project
NU-102：高分解能電子状態計測走査透過型電子顕微鏡システム
報告書データ / Report
概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)
ダイヤモンド/垂直配向グラフェン（VG）（炭素 sp³-sp²）ヘテロ界面は、短期記憶（STM）から長期記憶（LTM）状態への遷移、および対刺激促進（PPF）を示し、光電子的に制御可能なシナプスとして機能することが示されている。これらの特性は、人間の脳の記憶機能において重要な役割を果たすニューロン接続の主要要素として、新たな応用の可能性を開くことが期待される。この光メモリスタ的挙動は、グラフェン/ダイヤモンド界面における酸素イオンの移動によって誘発される sp²-sp³ 遷移に起因すると考えられているが、これを直接証明する決定的な証拠はまだ得られていない。さらに、記憶保持の緩和時間は、界面グラフェン層の sp²/sp³ 比に依存して変化することが観察されており、この比率は作製条件によって異なる。本研究では、異なる緩和時間を示すヘテロ接合の界面構造と電子状態（sp²/sp³ 比）を、電子エネルギー損失分光（EELS）を備えた走査透過電子顕微鏡（S/TEM）を用いてサブナノメートル分解能で分析することを目的とした。
実験 / Experimental
VG/ダイヤモンドヘテロ構造は、マイクロ波プラズマCVDによって作製した。STM から LTM への遷移を示す 3 種類の試料をは、それぞれ緩和時間（𝜏） 7.6 秒、60 分以上、230 分以上であることが確認された。S/TEM 観察用の薄膜試料は、集束イオンビーム（FIB）サンプリングによって作製され、ダイヤモンド基板に対して <110> 方向と平行になるように設定した。S/TEM-EELS 測定は、Gatan Energy Filter Quantum ER を搭載した JEOL JEM-ARM200F 顕微鏡を用いて室温で行い、高エネルギー電子照射によるノックオン損傷を最小限に抑えるために 80 kV で操作した。
結果と考察 / Results and Discussion
先行研究の予備報告で述べたように、グラフェン層は主にダイヤモンド結晶面と整合的に接続され、ダイヤモンド {111} 面に平行に整列していることが確認された。しかし、𝜏 > 230 分の試料（図 1(a)）では、VG/ダイヤモンド界面において非整合構造が観察された。この試料では、ダイヤモンド層上に Cu を蒸着した後、900℃ でアニールすることによってグラフェンを成長させたもので他の試料と作製法が異なる。さらに、4D-STEM 技術に基づく界面応力解析を行い、界面歪の量と方向が記憶保持時間を決定する重要な要因を示唆する結果が得られた。詳細な解析結果については、別途報告する予定である。
図・表・数式 / Figures, Tables and Equations
図１ τ > 230 分 (a)、τ > 60 分 (b)、および τ = 7.6 秒 (c) を示す VG/ダイヤモンド界面の代表的な HRTEM 画像。それぞれの画像の上部（D とラベル付け）はダイヤモンド層を、下部（G とラベル付け）は垂直配向グラフェン（VG）層を表す。
その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)
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)
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H. Iwane, Diamond/graphene (carbon sp3-sp2) heterojunctions for neuromorphic device applications, Journal of Materials Research, 39, 2107-2114(2024).
DOI: https://doi.org/10.1557/s43578-024-01395-5
口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.
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