(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素原子に結合可能な原子から構成された基部と、
前記基部の表面の一部に形成されて炭素原子同士が前記基部の表面の平面方向のみに結合して構成されてジグザグ型の端部を備える第１炭素領域と、
前記基部の表面の一部に形成されて、炭素原子に結合可能な原子が前記基部の表面の平面方向および前記基部の深さ方向に結合して構成されて前記第１炭素領域の端部に結合して前記第１炭素領域を前記基部に接続する結合領域と、
前記基部の側に前記第１炭素領域と離間して対向配置し、炭素原子が前記基部の表面の平面方向および前記基部の深さ方向に結合して構成された炭素原子のみからなる第２炭素領域と
を少なくとも備え、
前記基部は炭化シリコンから構成されていることを特徴とする磁気電気効果素子。
【請求項２】
請求項１記載の磁気電気効果素子において、
前記基部の表面の一部に形成されて前記結合領域の周囲に連続して配置され、炭素原子が前記基部の表面の平面方向および前記基部の深さ方向に結合して構成された炭素原子のみからなる第３炭素領域を備えることを特徴とする磁気電気効果素子。
【請求項３】
請求項１または２記載の磁気電気効果素子において、
前記第１炭素領域は、炭素がｓｐ2軌道で結合した領域であることを特徴とする磁気電気効果素子。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の磁気電気効果素子において、
前記結合領域は、ｓｐ3軌道で結合する炭素から構成されていることを特徴とする磁気電気効果素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、グラフェンから構成され、電界の印加により磁性を発生する磁気電気効果素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
グラフェンは、炭素ｓｐ2結合で構成された炭素原子が２次元に結合した構造であり、層状物質グラファイトを構成する原子層を１層から数層取り出したものといえる。このグラフェンは、シリコンなどの従来の材料とは異なる０ギャップ半導体としての性質を有し、また優れた機械的特性，熱的特性から、様々な用途への応用の可能性が期待されている（非特許文献１参照）。
【０００３】
このグラフェンには、図８の平面図に示すように、幾何学的に２つの切断辺８０１および切断辺８０２がある。切断辺８０１はジグザグ型と呼ばれ、切断辺８０２はアームチェア型と呼ばれている。これらのうち、ジグザク型の切断辺８０１には、π電子の局在状態が存在し、この端部に強く局在する電子状態がフェルミエネルギー近傍に現れる。このため、例えば、長辺を上述したジグザグ型に形成した細長い短冊状のグラフェン（グラフェンナノリボン）において、ジグザグ型の端部における上述した電子の局在により、磁性を発現することが判明している（非特許文献２参照）。
【０００４】
ところで、上述したような特性を有するグラフェンナノリボンは、１原子層から数原子層の構造であり、自立して存在することはできない。このため、上述した磁性の発現などを素子として利用する場合には、端部（辺）がジグザグ型となるように形成したジグザグ端構造のグラフェン片（グラフェンナノリボン）を、基板の上に配置することになる。しかしながら、一般的に用いられる基板の上では、配置したグラフェンナノリボンの一部が基板と化学結合を形成し、上述したような磁性の発現を得ることができない。
【０００５】
上述した問題を解消するために、例えば、基板の上にグラフェンを配置し、この上に、水素で終端されたジグザグ端構造のグラフェンナノリボンを、ファンデルワールス力により吸着させる構成が考えられる。このような構成とすることで、グラフェンナノリボンは、直接基板に接することなく支持され、一部の炭素原子が基板を構成する原子と化学結合を形成することがなく、上述した磁性の発現が得られるようになる。
【０００６】
例えば、上述した構造をシリコン基板の上に形成した磁気電気効果素子が提案されている（非特許文献３参照）。シリコン基板との界面に自動的に固定電界が生じるために、生じた固定電界を打ち消すような電界を外部から加えることで、グラフェンナノリボンに強磁性を発現させることができる。また、印加する電界の強弱によって磁性を制御できる磁気電気効果素子として機能することが、非特許文献３では理論的に説明されている。
【０００７】
非特許文献３に記載された磁気電気効果素子は、図９に示すように、シリコン基板９０１の上に、グラフェンナノリボン９０２を載置し、この上にグラフェンナノリボン９０３を積載している。シリコン基板９１０の上にグラフェンナノリボン９０２を載置すると、この場合、グラフェンナノリボン９０２の両端の炭素が、シリコン基板９０１の表面のシリコン原子と化学結合を形成する。このため、グラフェンナノリボン９０２は、磁性を発現しない。ただし、グラフェンナノリボン９０２は、磁性は発現させることができないが、界面固定電界を形成し、かつ、この上に新たなグラフェンナノリボン９０３を載せる台となる。
【０００８】
グラフェンナノリボン９０２の上にファンデルワールス力で結合した２枚目のグラフェンナノリボン９０３は、この状態では、図１０の横軸が０．０における白丸のグラフに示すように、電子濃度が正で電子が蓄積したｎ型となっている。また、図１０の横軸が０．０における白四角のグラフに示すように、磁性も発現されている。ここに、外部から電界を加えて白丸のグラフで示される電子濃度を下げると、図１０からわかるように、白四角のグラフの値が高くなり、磁性が強くなる。このとき磁性は、図９に示すように、グラフェンナノリボン９０３のジグザグ型の切断片となっている両端に現れる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】K.S.Novoselov, et al. ,"Electric Field Effect in AtomicallyThin Carbon Films", SCIENCE, vol.306, pp.666-669, 2004.
【非特許文献２】M.Fujita, et al. ,"Peculiar Localized State at Zigzag Graphite Edge", J.Phys.Soc.Jpn. ,vol.65, pp.1920-1923, 1996.
【非特許文献３】Z. Zhang, et al. ,"Magnetoelectric Effect in Graphene Nanoribbons on Substrates via Electric Bias Control of Exchange Splitting", Physical review letters, vol.103, 187204-1-4, 2009.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところで、上述した素子では、グラフェンナノリボンの切断部の原子構造として、電子状態に大きな影響を与えない水素で終端をした構造が想定されている。しかしながら、このような構造を実際に作製することは非常に困難である。このようなグラフェンナノリボンの作製方法の多くは、グラフェンをナノ加工技術により短冊形状にしている。この場合、エッチングなど、グラフェンナノリボンの端状態に対しては破壊的な手法を用いることになる。しかしながら、現状では、このように一度破壊した端構造を修復し、あるいは、終端できる手法は知られていない。
【００１１】
一方、古くからグラフェンナノリボン自体を合成するという試みもなされている。しかしながら、現状では、良好な水素終端によるジグザグ端構造の形成は必ずしも達成されていない。
【００１２】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、より安定した状態の磁気電気効果を示す素子が、簡便な方法で形成できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明に係る磁気電気効果素子は、炭素原子に結合可能な原子から構成された基部と、基部の表面の一部に形成されて炭素原子同士が基部の表面の平面方向のみに結合して構成されてジグザグ型の端部を備える第１炭素領域と、基部の表面の一部に形成されて炭素原子に結合可能な原子が基部の表面の平面方向および基部の深さ方向に結合して構成されて第１炭素領域の端部に結合して第１炭素領域を基部に接続する結合領域と、基部の側に第１炭素領域と離間して対向配置し、炭素原子が基部の表面の平面方向および基部の深さ方向に結合して構成された炭素原子のみからなる第２炭素領域とを少なくとも備え、基部は炭化シリコンから構成されている。
【００１４】
上記磁気電気効果素子において、基部の表面の一部に形成されて結合領域の周囲に連続して配置され、炭素原子が基部の表面の平面方向および基部の深さ方向に結合して構成された炭素原子のみからなる第３炭素領域を備えるようにしてもよい。
【００１５】
上記磁気電気効果素子において、第１炭素領域は、炭素がｓｐ2軌道で結合した領域であればよい。また、結合領域は、ｓｐ3軌道で結合する炭素から構成されていればよい。
【発明の効果】
【００１６】
以上説明したように、本発明によれば、炭素原子同士が基部の表面の平面方向のみに結合して構成されてジグザグ型の端部を備える第１炭素領域と、炭素原子に結合可能な原子が基部の表面の平面方向および基部の深さ方向に結合して構成されて第１炭素領域の端部に結合して第１炭素領域を基部に接続する結合領域と、備えるようにしたので、より安定した状態の磁気電気効果を示す素子が、簡便な方法で形成できるようになるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１における磁気電気効果素子の構成を示す構成図である。
【図２】図２は、ＳｉＣ基板の表面に島状に形成されたグラフェンの状態を低速電子顕微鏡で観察した結果を示す写真である。
【図３Ａ】図３Ａは、本発明の実施の形態における磁気電気効果素子の構成を示す構成図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、本発明の実施の形態における磁気電気効果素子の構成を示す構成図である。
【図３Ｃ】図３Ｃは、本発明の実施の形態における磁気電気効果素子の構成を示す構成図である。
【図３Ｄ】図３Ｄは、本発明の実施の形態における磁気電気効果素子の構成を示す構成図である。
【図３Ｅ】図３Ｅは、本発明の実施の形態における磁気電気効果素子の構成を示す構成図である。
【図４】図４は、グラフェン片の磁化特性の変化を示す特性図である。
【図５Ａ】図５Ａは、本発明の実施の形態における磁気電気効果素子の構成を示す構成図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、本発明の実施の形態における磁気電気効果素子の構成を示す構成図である。
【図６Ａ】図６Ａは、実施例１における磁気電気効果素子の製造方法を説明するための各工程における断面の状態を示す模式的な断面図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、実施例１における磁気電気効果素子の製造方法を説明するための各工程における断面の状態を示す模式的な断面図である。
【図６Ｃ】図６Ｃは、実施例１における磁気電気効果素子の製造方法を説明するための各工程における断面の状態を示す模式的な断面図である。
【図７Ａ】図７Ａは、実施例２における磁気電気効果素子の製造方法を説明するための各工程における断面の状態を示す模式的な断面図である。
【図７Ｂ】図７Ｂは、実施例２における磁気電気効果素子の製造方法を説明するための各工程における断面の状態を示す模式的な断面図である。
【図７Ｃ】図７Ｃは、実施例２における磁気電気効果素子の製造方法を説明するための各工程における断面の状態を示す模式的な断面図である。
【図７Ｄ】図７Ｄは、実施例２における磁気電気効果素子の製造方法を説明するための各工程における断面の状態を示す模式的な断面図である。
【図７Ｅ】図７Ｅは、実施例２における磁気電気効果素子の製造方法を説明するための各工程における断面の状態を示す模式的な断面図である。
【図７Ｆ】図７Ｆは、実施例２における磁気電気効果素子の製造方法を説明するための各工程における断面の状態を示す模式的な断面図である。
【図８】図８は、グラフェンの構成を示す平面図である。
【図９】図９は、非特許文献３に記載された磁気電気効果素子の構成を示す構成図である。
【図１０】図１０は、非特許文献３に記載された磁気電気効果素子の磁性および電子濃度の状態を示す特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
【００１９】
［実施の形態１］
はじめに、本発明の実施の形態１について説明する。図１は、本発明の実施の形態１における磁気電気効果素子の構成を示す構成図である。図１では、磁気電気効果素子の断面を模式的に示している。この磁気電気効果素子は、炭素原子に結合可能な原子から構成された基部１０１と、基部１０１の表面の一部に形成されて炭素原子が基部１０１の表面の平面方向のみに結合して構成されてジグザグ型の端部を備える第１炭素領域１０２を備える。例えば、図１の紙面の手前から奥の方向に延在している第１炭素領域１０２の端部がジグザグ型となっている。なお、ジグザグ型の端部とは、図８に示す切断辺８０１の状態である。
【００２０】
また、この磁気電気効果素子は、基部１０１の表面の一部に形成されて、炭素原子に結合可能な原子が基部１０１の表面の平面方向および基部１０１の深さ方向に結合して構成されて第１炭素領域１０２の端部に結合して第１炭素領域１０２を基部１０１に接続する結合領域１０３と、基部１０１の側に第１炭素領域１０２と離間して対向配置し、炭素原子が基部１０１の表面の平面方向および基部１０１の深さ方向に結合して構成された炭素原子のみからなる第２炭素領域１０４とを備える。
【００２１】
例えば、基部１０１は、ＳｉＣ基板であり、第２炭素領域１０４を構成している炭素原子は、第２炭素領域１０４の平面方向への結合に加え、一部の炭素原子は、基部１０１の側の炭素原子およびシリコン原子とも結合している。従って、第２炭素領域１０４は、ｓｐ2結合した炭素原子と、ｓｐ3結合のように立体的に化学結合をした炭素原子とから構成され、導電性が低い（ない）状態となっている。
【００２２】
また、第１炭素領域１０２は、炭素がｓｐ2軌道で結合した領域であり、端部がジグザグ型のグラフェンとなっている。また、第１炭素領域１０２と基部１０１とを接続している結合領域１０３は、例えば、第２炭素領域１０４と同様に、立体的に化学結合した炭素原子から構成されていればよい。また、結合領域１０３は、立体的に結合したシリコン原子から構成されていてもよい。シリコン原子は、炭素原子と結合可能な原子である。また、結合領域１０３は、立体的に結合した炭素原子およびシリコン原子（ＳｉＣ）から構成されていてもよい。いずれにしても、結合領域１０３は、炭素原子と結合可能な原子から構成されていればよい。また、結合領域１０３は、第１炭素領域１０２と基部１０１との間において、１つ（１列）の原子が配置される構成となっている。本実施の形態では、第１炭素領域１０２のジグザグ型の端部が、導電性がない（低い）状態の結合状態の原子（原子団）で終端されていることになる。
【００２３】
上述したように構成した本実施の形態における磁気電気効果素子は、第１炭素領域１０２が、ジグザク型の端部を備えるグラフェンとなっており、また、この端部が導電性がない状態の結合状態の炭素原子で終端されているので、ジグザグ型の端部に電子が局在するようになり、磁性を発現させることができる。
【００２４】
一方、第２炭素領域１０４は、基部１０１の側の原子とも結合する構造となっており、グラフェンの構造とはならず、磁性を発現しないが、基部１０１との界面に固定電界が生じる状態となっている。従って、この磁気電気効果素子によれば、電界を印加することで、第１炭素領域１０２における電子濃度を変化させることができ、第１炭素領域１０２のジグザグ型の端部における磁性を変化させる（制御する）ことができる。
【００２５】
また、本実施の形態によれば、磁性が発現するグラフェン片となる第１炭素領域１０２を、結合領域１０３により基部１０１に固定しているので、安定した状態で磁気電気効果を発現させることができる。また、作製が容易である。
【００２６】
以下、本実施の形態における磁気電気効果素子について、より詳細に説明する。
【００２７】
まず、グラフェンのジグザグ型の端部を水素終端以外の何らかの形態で終端した場合、磁性は発現しないというのが一般的な考えである。しかしながら、水素終端した状態のグラフェンを、素子として利用可能な状態に作製することが容易ではない。現実的には、水素終端以外の何らかの形で終端し、この状態で作製することが望ましい。しかしながら、これまでは、このような状態で磁性を発現させる手法は知られていなかった。
【００２８】
上述した現状に対し、発明者らは、例えば炭化シリコン（ＳｉＣ）などの基板上に直接グラフェンを作製することを想定し、基板構成原子（この場合はシリコンと炭素、あるいは基板に強く結合した炭素）と結合した状態でのグラフェンにおいても磁性発現が可能な構成を、第一原理計算という計算手法を用いて探索し、この結果を踏まえて、上述した本実施の形態における構成を想起した。なお、第一原理計算は、量子力学に基づいて電子の運動を解析し、フィッティングパラメータを用いずに非経験的に、材料の物性を明らかにすることができる手法である。
【００２９】
ＳｉＣ基板を高温で熱することにより表面に形成されるエピタキシャルグラフェンは、制御性の良さから大面積のグラフェン基板作成手法として注目を浴びている。この技術において、例えば一旦室温まで降温（冷却）してから急速加熱を行うなど、熱処理の方法を少し変えることで、島状のグラフェンを表面に作成することに発明者らは成功した。図２の（ａ）に示す写真は、ＳｉＣ基板の表面に島状に形成されたグラフェンの状態を低速電子顕微鏡で観察した結果である。また、図２の（ｂ）は、（ａ）の写真における状態を模式的に示した説明図である。図２の（ｂ）において、白い部分が炭化シリコンの部分であり、グレーの部分がグラフェンが単層で形成されている部分であり、黒の部分がグラフェン状の炭素層が２重に形成されている部分である。
【００３０】
発明者らは、このＳｉＣ基板表面上の島状グラフェンの原子構造について詳細検討を行った結果、特に、上述した黒で示す部分の表面が、他の領域とは異なる独特の断面形状を備えていることを明らかにした。これらは、従来報告されていないものであり、独特の断面形状は、表面層に形成されるグラフェンの部分と、このグラフェンの部分の周囲の基板との境界部と、グラフェンの部分に対向して基板側に形成される炭素のみからなる領域とにある。このグラフェンの部分が、第１炭素領域１０２に対応し、境界部が結合領域１０３に対応し、炭素のみからなる領域が第２炭素領域１０４に対応している。
【００３１】
上述した特徴的な領域（島状グラフェン：島部）には、図３Ａ〜図３Ｅに示す５種類の状態が存在する。図３Ａ〜図３Ｅは、各状態における磁気電気効果素子の領域の劈開面を模式的に示しているものとなる。
【００３２】
図３Ａに示す磁気電気効果素子は、ＳｉＣからなる基部１０１、第１炭素領域１０２、結合領域１０３、第２炭素領域１０４を備える。また、基部１０１の表面の一部に形成されて結合領域１０３の周囲に連続して配置され、炭素原子３０１が基部１０１の表面の平面方向および基部１０１の深さ方向に結合して構成された炭素原子３０１のみからなる第３炭素領域１０５を備える。
【００３３】
図３Ａに示す磁気電気効果素子では、基部１０１の表面を炭素原子３０１による１原子層が覆っている。この１原子層の炭素層の一部（図３Ａでは中央部）に、炭素のｓｐ2結合により形成されたグラフェンよりなる第１炭素領域１０２が形成され、この両端部が、炭素のｓｐ3結合により、周囲の炭素層の炭素原子３０１および基部１０１のシリコン原子３０２と強く結合し、結合領域１０３を構成している。また、結合領域１０３の周囲の第３炭素領域１０５は、平面方向に隣接する炭素原子３０１および基部１０１のシリコン原子３０２と、ｓｐ3結合により強く結合している。これらの構成は、図３Ｃに示す磁気電気効果素子においても同様である。
【００３４】
図３Ｂに示す磁気電気効果素子では、基部１０１の表面の一部（図３Ｂでは中央部）に、炭素のｓｐ2結合により形成されたグラフェンよりなる第１炭素領域１０２が形成され、この両端部が、炭素のｓｐ3結合により、周囲の基部１０１のシリコン原子３０２および炭素原子３０１と強く結合し、結合領域１０３を構成している。この構成は、図１を用いて説明した構成に相当している。これらの構成は、図３Ｄおよび図３Ｅに示す磁気電気効果素子においても同様である。
【００３５】
上述した第１炭素領域１０２は、図９を用いて説明したグラフェンナノリボン９０３と同様に、ジグザグ型の端部を備えるグラフェン片であり、この点で両者は共通している。しかしながら、第１炭素領域１０２は、ジグザグ型の端部が、ｓｐ2結合ではないｓｐ3結合の炭素原子３０１からなる結合領域１０３で終端されている点で異なっている。また、結合領域１０３を介して基部１０１に接続（固定）されており、この点でも大きく異なっている。
【００３６】
次に、第２炭素領域１０４について説明する。図３Ａ〜図３Ｅの磁気電気効果素子のいずれにおいても、正の固定電界を有する第２炭素領域１０４を備える。また、第２炭素領域１０４とこれに対向する第１炭素領域１０２との間隔は、図３Ａ，図３Ｂ，図３Ｄに示す場合と、図３Ｃ，図３Ｅに示す場合とのように、異なる形態が存在する。また、正の固定電界を有する領域（固定電界保持部）は、図３Ａ，図３Ｃに示す第３炭素領域１０５のように、第１炭素領域１０２と同じ平面上に形成される場合もある。従って、第１炭素領域１０２の負の帯電量が、図３Ａ〜図３Ｅに示す断面の状態（形態）によって制御可能である。
【００３７】
上述した第２炭素領域１０４，第３炭素領域１０５についても、図９を用いて説明したグラフェンナノリボン９０２と、正の固定電界を有する点で共通している。しかしながら、第２炭素領域１０４，第３炭素領域１０５は、端部が基部１０１を構成する原子と結合しており、この点で、グラフェンナノリボン９０２とは大きく異なっている。
【００３８】
本実施の形態における磁気電気効果素子において、第１炭素領域１０２および第２炭素領域１０４（第３炭素領域１０５）は、炭素原子のみから構成され、また、２次元的なネットワーク（１原子層）で構成されている点で同様である。しかしながら、第２炭素領域１０４（第３炭素領域１０５）は、基部１０１を構成する原子との結合も備え、基部１０１とより強い相互作用を備えている。これに対し、第１炭素領域１０２は、基部１０１を構成する原子との結合はなく、基部１０１との相互作用が小さい状態となっている。これらの違いにより、第１炭素領域１０２が磁性を発現する層として機能し、第２炭素領域１０４（第３炭素領域１０５）が、正の固定電界を有する層（固定電界保持部）として機能するようになる。
【００３９】
また、前述したような熱プロセスによるＳｉＣ基板上の炭素１原子層の形成では、常に、既存の炭素１原子層とＳｉＣ基板との間に、新たな炭素１原子層を形成していくため、磁性を発現するグラフェン層（第１炭素領域）と固定電界保持部（第２炭素領域）との逐次形成が可能である。例えば、適当な熱プロセスを連続して行えば、周囲に固定電界保持部を配置した多層のグラフェン層を形成することが可能である。
【００４０】
ここで、上述したように、ＳｉＣ基板の加熱処理により形成できる島状のグラフェンと同様の層構造（断面形状）で、グラフェン片の部分（第１炭素領域）はジグザグ型の端部を備える構成とすることで、このグラフェン片は、磁性が発現されるようになるものと考えられる。磁性の発現が可能なグラフェン片は、負に帯電しているため、磁性を発現させるためにはこの帯電を中和するために外部から正の電荷（電界）を加える必要がある。
【００４１】
第一原理計算に基づく理論検討を行ったところ、上述した構成の幅１ｎｍ程度としたグラフェン片の短冊に、正電荷（１０-5〜１０-4Ｃ／ｃｍ2程度）を印加すると、図４に示すように、磁性が発現し、磁気電気効果を持つことが確認できる。図４は、グラフェン片の磁化特性の変化を示す特性図であり、横軸は全体の磁化の強さ、縦軸が安定性を示している。
【００４２】
まず、図４の（ａ）に示すように、理想的に自立させたグラフェン片（シミュレーション）は、全体磁化が０の場合が最も安定な状態となる。また、この自立グラフェン片は、全体磁化が０．８μＢにも局所的に安定な部分がある。これは、グラフェン片の二つある端の部分が各々０．４μＢの磁化を持っており、これらの磁極の向きが揃った場合（強磁性、図５Ｂに相当）が全体磁化０．８μＢであり、２つの端の磁極の向きが正反対である場合（反強磁性、図５Ａに相当）が全体磁化０に相当することを示している。また、強磁性が反強磁性に比べて安定でなく、実際には反強磁性が発現することを示していて、これは従来の報告と同じである。
【００４３】
また、図３Ａを用いて説明した磁気電気効果素子では、第１炭素領域１０２が、図４の（ｂ）に示すように、どこも磁性を示さない非磁性から、帯電によって、図４の（ｂ’）に示す２つの端の磁極の向きが同じであって片側０．０５μＢの強磁性（図５Ｂ）に変化している。また、図３Ｂを用いて説明した磁気電気効果素子では、第１炭素領域１０２が、図４の（ｃ）に示す、磁性が片側０．３８μＢの反強磁性（図５Ａ）から、帯電によって、図４の（ｃ’）に示す、片側０．３３μＢの強磁性（図５Ｂ）に変化している。
【００４４】
これらの結果より、第１炭素領域１０２の蓄積電荷量を何らかの形で外部から変化させることができれば、電気によって磁気を制御する磁気電気効果を示す磁気電気効果素子を実現することが可能であることがわかる。また、終端部となる結合領域１０３の結合の状態を変えることで、反強磁性や強磁性あるいは磁化の強弱などの、磁性の発現の状態を制御できることがわかる。また、第２炭素領域１０４および第３炭素領域１０５などの固定電界保持部を制御すれば、磁性の発現する電荷量を制御することも可能であることがわかる。
【００４５】
図９を用いて説明した素子では、グラフェン片を予め別途に作成しこれを基板表面の規定の部分に貼り付けることによって形成している。これに対し、本実施の形態における磁気電気効果素子は、例えばＳｉＣ基板の熱処理によって形成可能であり、作製プロセスが大きく異なっている。例えば、大面積に一度の熱処理で多数の磁気電気効果素子が形成可能であることは、プロセス上有利なことである。また、例えば表面の一部をシリコン層などで覆えば、この部分にはグラフェン片（磁気電気効果素子）が形成されないようにすることが可能であり、所望とする任意の位置への磁気電気効果素子の形成が可能である。
【００４６】
上記のような詳細検討による事実に基づき本発明は想起されており、ＳｉＣ基板などを用い、この基板の上に特有な断面構造を有するグラフェン片を機能デバイス化するのが本発明の特徴である。従来より提案されている技術に対し、他の部分と結合していない（むき出しの）端部、もしくは水素終端された端部が必要でなく、端部の作製が容易であることは、本発明の大きな特徴である。また、従来の提案とは異なり、本発明によれば、固定電界保持部を任意の位置に任意の形状で形成することが可能である。このため、グラフェン片に強磁性および反強磁性を発現する電荷の制御が可能である。このことは、本発明における大きな特徴であり利点である。
【００４７】
また、従来例では、グラフェン片を予め別途に作成し、これを基板表面の規定の部分に貼り付けることによって形成しているが、本発明では、例えばＳｉＣ基板の熱処理によって形成可能であり、例えば、大面積に一度の熱処理で数多くのグラフェン片を作製可能であることも特徴である。さらに、熱プロセスによるＳｉＣ基板上へのグラフェン片の形成は、常に既存してるグラフェン片とＳｉＣ基板の界面に新規のグラフェン片を形成するため、グラフェン片と固定電界保持部の逐次形成が可能である。このため、例えば、適当な熱プロセスを連続して行えば、周囲に固定電界保持部を配置した多層のグラフェン片を形成することが可能である。
【００４８】
さらに、以上ではＳｉＣ上の短冊形状のグラフェン片を中心として説明したが、必ずしもその範囲に限定されるものではない。例えば、各炭素の層は、平面形状が、円でも多角形でも星形であっても、グラフェン片（第１炭素領域）、固定電界保持部（第２炭素領域）、終端部（結合領域）として機能する部分が揃っていれば、磁気電気効果素子として機能する。
【００４９】
また、基板もＳｉＣである必然性はなく、例えばダイヤモンドであっても、グラフェン片、固定電界保持部、終端部として機能する部分が揃っていれば、磁気電気効果素子として機能する。従って、炭素ｓｐ2結合で構成された炭素２次元構造が基板と相互作用することにより、グラフェン片、固定電界保持部、終端部として機能する部分が揃っていることが、磁気電気効果素子として機能する要件である。なお、発明者らの検討により、ＳｉＣ基板では、上述したような熱プロセスにより、アームチェア型よりもジグザグ型の端部となるグラフェン片が形成されやすいものとなっていることが判明している。
【００５０】
以下、実施例を用いてより詳細に説明する。
【００５１】
［実施例１］
はじめに、実施例１について、製造方法とともに説明する。図６Ａ〜図６Ｃは、実施例１における磁気電気効果素子の製造方法を説明するための各工程における断面の状態を示す模式的な断面図である。
【００５２】
まず、図６Ａに示すように、主表面を（０００１）面とした４Ｈ-ＳｉＣからなる基板６０１を用意する。表面は、化学的機械的研磨（ＣＭＰ）により平坦化しておく。次に、例えば、１．３３×１０-6Ｐａ程度の圧力（超高真空）中で、１２００℃の加熱による表面清浄化により、図６Ｂに示すように、基板６０１の表面に、シリコン原子が脱離した炭素層６０２を形成する。炭素層６０２は、基板平面方向に加えて基板深さ方向にも炭素原子が結合しており、グラフェンとは大きく物性が異なっている。
【００５３】
以上のように炭素層６０２を形成した後、一度，基板６０１を室温（２０℃程度）にまで冷却（降温）し、この後、基板６０１（炭素層６０２）を１２８０℃にまで加熱し、この温度状態を３０分間程度保持する。この過程により、基板６０１からのシリコンの脱離がさらに進み、図６Ｃに示すように、炭素層６０２の下部に、新たに炭素層６０３が形成される。炭素層６０３は、基板６０１との境界となる端部が、ジグザグ型となっていることが重要となる。なお、炭素層６０３は、炭素層６０２と同様の性質を備えている。
【００５４】
また、炭素層６０３が形成されることにより、炭素層６０３の直上の領域では、炭素原子同士が基板６０１の表面の平面方向のみに結合して構成されてジグザグ型の端部を備えるグラフェン片（第１炭素領域）６０４、および炭素層６０２の一部に形成されてグラフェン片６０４の端部と炭素層６０２（基板６０１）とを結合する炭素原子のみからなる終端部（結合領域）６０５が形成される。炭素層６０３が形成されることにより、この直上の炭素層６０２では、基板側の結合が弱くなり（なくなり）、炭素のｓｐ2結合からなるグラフェン片６０４に変化する。
【００５５】
ここで、グラフェン片６０４はグラフェン特有の電子状態を有することになるが、炭素層６０３がジグザグ端構造を備えていれば、この上層のグラフェン片６０４も、終端部６０５との結合部分が、ジグザグ型の構造となる。このグラフェン片６０４は、当初の基板６０１上に均一に形成された炭素層６０２の一部が変化した構造であり、原子レベルで見れば、基板６０１上に形成された炭素層６０２と、終端部６０５を介して接続した状態となっている。
【００５６】
また、この状態で、グラフェン片６０４は炭素層６０３の影響を受けて負電荷が誘起されている。この電荷の誘起がなければ、グラフェン片６０４のジグザグ型の端部には磁性が発現しないが、グラフェン片６０４に誘起された電荷の影響により端部には強磁性が発現することになる。なお、実施例１では、炭素層６０２は、基板６０１の表面に形成されており、炭素原子が基板６０１の表面の平面方向および基板６０１の深さ方向に結合して構成されており、終端部６０５の周囲に連続して配置されている。従って、炭素層６０２も、炭素層６０３と同様に、固定電荷保持部として機能する。
【００５７】
ＳｉＣの単結晶からなる基板６０１を高温で加熱すると、真空中（１．３３×１０-6Ｐａ）であれば、概ね１２００℃以上、大気圧不活性ガス雰囲気であれば概ね１６００℃以上で、表面のシリコン原子が脱離する。このとき、シリコンに比べて沸点の高い炭素原子は表面に留まり、互いにグラファイト結合を形成する。本実施例１では、グラフェン片６０４の形成温度として１２８０℃を選択したが、雰囲気、圧力により、各条件は適切なものとしなければならないことはいうまでもない。また、グラフェン片６０４の形成に際して、一旦室温まで温度を下げてから昇温したが、雰囲気、圧力、あるいは基板表面の加工状況により、この温度プロファイル・加熱時間を、各々所望のグラフェン片の形成に適切なものとしなければならないことはいうまでもない。
【００５８】
本実施例では、グラフェン片をエピタキシャルに形成するための基板として４Ｈ-ＳｉＣ単結晶基板を用いたが、例えば、６Ｈ-ＳｉＣ（０００１）面などの、４Ｈ-ＳｉＣと同様な表面原子構造を有する基板であれば同様に用いることができる。さらに、例えば、炭素終端された表面や、多結晶ＳｉＣであっても、グラフェン片の端部が基板原子に直接結合した構造が作製できれば差し支えない。基板表面は原子レベルで平坦で、例えば、０．５〜１ｎｍ程度の均一な原子ステップ構造で覆われていることが望ましい。ただし、グラフェン片の端部が基板原子に直接接合した構造で作製できれば、他の表面構造でも差し支えない。
【００５９】
本実施例１では、図３Ａを用いて説明した断面構造の場合を例に説明したが、グラフェン片の形成条件によっては、図３Ｂ，図３Ｃ，図３Ｄ，および図３Ｅを用いて説明した他の断面構造が作製可能である。本発明は、グラフェン片の端部が、終端されていることが重要である。また、ジグザク構造の端部を有して磁性を発現するグラフェン片は、複数層備えられていてもよい。
【００６０】
また、グラフェン片と、これに対向する固定電荷保持部とは、図３Ａ，図３Ｂ，および図３Ｄに示すように、隣接する原子層に配置されていてもよく、また、図３Ｃおよび図３Ｅに示すように、原子層分の隙間があって配置されていてもよい。本発明では、グラフェン片、固定電界保持部、終端部が構成要素に含まれていることが重要である。
【００６１】
本実施例１では、ＳｉＣ基板を用いているが、これに限るものではなく、例えば、ダイヤモンド基板，シリコン基板，ゲルマニウム基板，酸化シリコン基板，酸化チタン基板など、炭素と結合可能な原子から構成された固体基板を用いることができる。また平坦面上でなくて、構造体内であっても構わない。いずれにしても、グラフェン片、固定電界保持部、終端部が構成要素に含まれていることが重要である。
【００６２】
また、上述では、グラフェン片６０４の端部がジグザグ端構造であるとしたが、端部の全領域がジグザグ型となっている必要はなく、端部の一部がジグザグ型となっていればよいことはいうまでもない。また、グラフェン片は、短冊状の形状である必然性はなく、円形、多角形、星形などの形状であってもよい。同様に、固定電荷保持部としての炭素層６０３も、短冊状、円形、多角形、星形などの形状であってもよい。
【００６３】
上述した本実施例によれば、一度の熱プロセスで大面積に多数のグラフェン片を作製できるため、プロセス上有利である。また、例えば表面の一部を堆積したシリコン層で覆えば、この部分にはグラフェン片を作製しないことが可能であり、任意の位置へのグラフェン片作製も可能である。また、本実施例によれば、接続していない（むき出しの）端部もしくは水素終端された端部が必要でなく、端部の作製が容易である。また、従来の提案に対し、固定電界保持部の位置や形状を任意に選択することが可能であり、グラフェン片に強磁性および反強磁性を発現する電荷の制御が可能である。
【００６４】
［実施例２］
次に、実施例２について製造方法ともに説明する。図７Ａ〜図７Ｆは、実施例２における磁気電気効果素子の製造方法を説明するための各工程における断面の状態を示す模式的な断面図である。
【００６５】
まず、図７Ａに示すように、主表面を（０００１）面とした４Ｈ-ＳｉＣからなる基板７０１を用意する。表面は、化学的機械的研磨（ＣＭＰ）により平坦化しておく。次に、例えば、１００Ｐａ程度の圧力とした水素雰囲気中で、１６００℃の加熱による表面清浄化を行った後、図７Ｂに示すように、超高真空槽内で１１００℃に加熱する条件で、ＣＶＤ法により層厚２ｎｍのシリコン層７０２を形成する。
【００６６】
次に、公知のリソグラフィー技術およびエッチング技術によりシリコン層７０２をパターニングし、図７Ｃに示すように、シリコン層７０２の所望とする箇所に開口部７０３を形成する。なお、図７Ｃは、パターニングに用いたマスクパターンを除去した後の状態を示している。次に、基板７０１を室温にまで冷却した後、加熱処理装置の炉内に基板７０１を搬入し、大気圧状態のアルゴン雰囲気で２０００℃・１０分の加熱条件で加熱を行う。
【００６７】
以上の各加熱処理により、図７Ｄに示すように、まず、基板７０１の表面に形成されていたシリコン層７０２が、炭化シリコン層７０２ａに変質し、基板７０１の表面層となる。また、表面層となった炭化シリコン層７０２ａの一部に形成されて炭素原子同士が基板７０１の表面の平面方向のみに結合して構成されてジグザグ型の端部を備えるグラフェン片（第１炭素領域）７０４と、炭化シリコン層７０２ａの一部に形成されて炭素原子が基板７０１の表面の平面方向および基板７０１の深さ方向に結合して構成されてグラフェン片７０４の端部に結合してグラフェン片７０４を基板７０１（炭化シリコン層７０２ａ）に接続する炭素原子のみからなる終端部（結合領域）７０５と、基板７０１の側にグラフェン片７０４と離間して対向配置し、炭素原子が基板７０１の表面の平面方向および基板７０１の深さ方向に結合して構成された炭素原子のみからなる炭素層（第２炭素領域）７０６が形成される。
【００６８】
次に、グラフェン片７０４および炭化シリコン層７０２ａの上に、酸化シリコン層７０７を形成し、また、酸化シリコン層７０７に、一部のグラフェン片７０４を露出させる開口部を形成する。この後、図７Ｅ，図７Ｆに示すように、酸化シリコン層７０７の上にゲート電極７０８を形成し、上記開口部を介してグラフェン片７０４に接続するコンタクト電極７０９を形成する。なお、図７Ｆは、図７Ｅと直交する方向の断面を示している。
【００６９】
上述したように作製した本実施の形態における磁気電気効果素子は、炭素層７０６が固定電界保持部として機能する。この磁気電気効果素子において、コンタクト電極７０９によりグラフェン片７０４にキャリアが注入可能となる。また、ゲート電極７０８による電界印加により、グラフェン片７０４における電荷量を所望とする状態に制御できるようになる。このような制御により、グラフェン片７０４のジグザグ型の端部（終端部７０５との接続部）に、所望とする強磁性を発現させることが可能となる。
【００７０】
ところで、上述した本実施例２ではグラフェン片７０４の形成温度条件として２０００℃を選択したが、この条件は、雰囲気および圧力などにより適切なものとしなければならないことはいうまでもない。またグラフェン片の形成に際して、一旦室温まで冷却してから昇温したが、雰囲気、圧力、あるいは基板表面の加工状況により、この温度プロファイル・加熱時間を各々所望のグラフェン片形成に適切なものとしなければならないことはいうまでもない。
【００７１】
また、本実施例２では、グラフェン片をエピタキシャルに形成するため基板として４Ｈ-ＳｉＣ単結晶基板を用いたが、例えば、６Ｈ-ＳｉＣ（０００１）面などの４Ｈ-ＳｉＣと同様な表面原子構造を有する基板であれば同様に用いることができる。さらに、例えば表面が炭素終端されたＳｉＣ基板、および多結晶ＳｉＣであっても、グラフェン片の端部が基板原子に直接接合した構造が作製できれば差し支えない。基板表面は、原子レベルで平坦で、例えば、０．５〜１ｎｍ程度の均一な原子ステップ構造で覆われていることが望ましいが、グラフェン片の端部が基板原子に直接接合した構造で作製できれば、他の表面構造でも差し支えない。
【００７２】
本実施例２では、図３Ｂを用いて説明した断面構造の場合を例に説明したが、グラフェン片の形成条件によっては、図３Ａ，図３Ｃ，図３Ｄ，および図３Ｅを用いて説明した他の断面構造が作製可能である。本発明は、グラフェン片の端部が、終端されていることが重要である。また、ジグザク構造の端部を有して磁性を発現するグラフェン片は、複数層備えられていてもよい。また、図３Ａおよび図３Ｃを用いて説明したように、グラフェン片と同じ平面に、固定電荷保持部となる炭素領域が形成されていてもよい。
【００７３】
また、グラフェン片と、これに対向する固定電荷保持部とは、図３Ａ，図３Ｂ，および図３Ｄに示すように、隣接する原子層に配置されていてもよく、また、図３Ｃおよび図３Ｅに示すように、原子層分の隙間があって配置されていてもよい。本発明では、グラフェン片、固定電界保持部、終端部が構成要素に含まれていることが重要である。
【００７４】
また、本実施例２では、ＳｉＣ基板を用いているが、これに限るものではなく、例えば、ダイヤモンド基板，シリコン基板，ゲルマニウム基板など、他の固体基板を用いることができる。また平坦面上でなくて、構造体内であっても構わない。いずれにしても、グラフェン片、固定電界保持部、終端部が構成要素に含まれていることが重要である。
【００７５】
また、上述では、グラフェン片７０４の端部がジグザグ端構造であるとしたが、端部の全領域がジグザグ型となっている必要はなく、端部の一部がジグザグ型となっていればよいことはいうまでもない。また、グラフェン片は、短冊状の形状である必然性はなく、円形、多角形、星形などの形状であってもよい。同様に、固定電荷保持部としての炭素層７０６も、短冊状、円形、多角形、星形などの形状であってもよい。
【００７６】
上述した本実施例によれば、一度の熱プロセスで大面積に多数のグラフェン片を作製できるため、プロセス上有利である。また、本実施例のように表面の一部を堆積したシリコン層で覆えば、この部分にはグラフェン片を作製しないことが可能であり、任意の位置へのグラフェン片作製も可能である。また、本実施例によれば、接続していない（むき出しの）端部もしくは水素終端された端部が必要でなく、端部の作製が容易である。また、従来の提案に対し、固定電界保持部の位置や形状を任意に選択することが可能であり、グラフェン片に強磁性および反強磁性を発現する電荷の制御が可能である。
【００７７】
以上に説明したように、本発明によれば、基板（基部）を構成する原子で終端したグラフェン片の磁気電気効果を活用し、従来困難であった電気的な磁性の制御を可能とする磁気電気効果素子が実現できる。また、本発明では、磁気電気効果素子のグラフェン片における磁性のＯＮ／ＯＦＦを電気的に制御できるため、新たな原理に基づく様々な電子素子を創出する可能性を秘め、論理素子、記憶素子等、様々な波及効果が期待できる。
【００７８】
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの組み合わせおよび変形が実施可能であることは明白である。例えば、上述では、ＳｉＣ基板を用い、また、シリコン層を用いて選択的にグラフェン片を形成するようにしたが、これに限るものではない。例えば、電子ビームおよびイオンビームの照射などにより、ＳｉＣ基板の表面に傷を形成すれば、この傷の部分に選択的にグラフェン片および炭素層を形成することができる。また、ＳｉＣの結晶基板中に転位などの欠陥を導入することでも、この欠陥導入箇所に選択的にグラフェン片および炭素層を形成することができる。
【符号の説明】
【００７９】
１０１…基部、１０２…第１炭素領域、１０３…結合領域、１０４…第２炭素領域。
【図１】
0005545735.tif 000002
【図４】
0005545735.tif 000003
【図６Ａ】
0005545735.tif 000004
【図６Ｂ】
0005545735.tif 000005
【図６Ｃ】
0005545735.tif 000006
【図７Ａ】
0005545735.tif 000007
【図７Ｂ】
0005545735.tif 000008
【図７Ｃ】
0005545735.tif 000009
【図７Ｄ】
0005545735.tif 000010
【図７Ｅ】
0005545735.tif 000011
【図７Ｆ】
0005545735.tif 000012
【図８】
0005545735.tif 000013
【図２】
0005545735.tif 000014
【図３Ａ】
0005545735.tif 000015
【図３Ｂ】
0005545735.tif 000016
【図３Ｃ】
0005545735.tif 000017
【図３Ｄ】
0005545735.tif 000018
【図３Ｅ】
0005545735.tif 000019
【図５Ａ】
0005545735.tif 000020
【図５Ｂ】
0005545735.tif 000021
【図９】
0005545735.tif 000022
【図１０】
0005545735.tif 000023