(57)【要約】【課題】水素原子でＳｉＣ表面を終端した表面上にグラフェンが形成された構造において、本来のグラフェンの優れた特性が得られるようにする。【解決手段】ステップＳ１０１で、ＳｉＣ基板を加熱してＳｉＣ基板の表面に６√３×６√３構造の炭素バッファー層を形成する（第１工程）。次に、ステップＳ１０２で、ＳｉＣ基板を加熱した状態で炭素バッファー層が形成されているＳｉＣ基板の表面に水素を供給し、炭素バッファー層と基板側のＳｉとの結合を切断してグラフェンとし、グラフェンとＳｉＣ基板との間に存在するＳｉのダングリングボンドを水素で終端する（第２工程）。以上のようにしてグラフェンを形成した後、ステップＳ１０３で、グラフェンを形成したＳｉＣ基板を真空中で加熱してグラフェンの基板側に存在する炭化水素を除去する（第３工程）。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＳｉＣ基板を加熱して前記ＳｉＣ基板の表面に６√３×６√３構造の炭素バッファー層を形成する第１工程と、
前記ＳｉＣ基板を加熱した状態で前記炭素バッファー層が形成されている前記ＳｉＣ基板の表面に水素を供給し、前記炭素バッファー層と基板側のＳｉとの結合を切断してグラフェンとし、前記グラフェンと前記ＳｉＣ基板との間に存在するＳｉのダングリングボンドを水素で終端する第２工程と、
前記グラフェンを形成した前記ＳｉＣ基板を真空中で加熱して前記グラフェンの前記基板側に存在する炭化水素を除去する第３工程と
を備えることを特徴とするグラフェンの作製方法。
【請求項２】
請求項１記載のグラフェンの作製方法において、
前記第３工程では、前記炭化水素に加えて前記グラフェンの前記基板側に存在する水素分子を除去することを特徴とするグラフェンの作製方法。
【請求項３】
請求項１または２記載のグラフェンの作製方法において、
前記炭素バッファー層の上に形成されたグラフェンを備え、
前記第３工程では、前記ＳｉＣ基板を２５０〜９５０℃の範囲のいずれかの温度で加熱することを特徴とするグラフェンの作製方法。
【請求項４】
請求項１または２記載のグラフェンの作製方法において、
前記ＳｉＣ基板の上には前記炭素バッファー層のみが形成され、
前記第３工程では、前記ＳｉＣ基板を２５０〜６５０℃の範囲のいずれかの温度で加熱することを特徴とするグラフェンの作製方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載のグラフェンの作製方法において、
前記第３工程では、真空度が１．３３×１０-2Ｐａ以下の状態で前記加熱を行うことを特徴とするグラフェンの作製方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＳｉＣ基板の表面にグラフェンを作製するグラフェンの作製方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
グラファイトは黒鉛とも呼ばれ、電気を良く通す物質として古くから知られており、炭素の同素体のひとつで、層状の物質である。グラフェンは、厳密にはグラファイトを構成する１原子層分の層状の膜を示している。グラフェンは、炭素原子がｓｐ2結合で同じ面内に結合を作って六角形を形成し、これが蜂の巣状に平面状に広がったシート状の物質である。
【０００３】
グラフェンが２〜３原子層以下（１原子層も含む）で構成される物質を用いて電界効果トランジスタを作製することにより、非常に高い移動度を観測したことが発表されて以来、グラファイトとは異なる物理的な特性が次々に発見されて非常に注目を集めることとなった（非特許文献１参照）。このような状況において、グラフェンが１０層以下で構成される物質の場合に、グラファイトとは異なって２次元的な特性を示すため、広義でグラフェンと呼ばれるようになってきた。一方で、狭義の１原子層のグラフェンと区別するため、少数層グラフェンという呼び方も広まっている。
【０００４】
ここで、ＳｉＣ基板を用いた熱分解法によるグラフェンの作製では、ＳｉＣの（０００１）指数面において、グラフェンが形成されるよりも少し低い温度領域では、６√３×６√３という表面超構造が形成される。なお、ＳｉＣの（０００１）指数面は、Ｓｉで終端されるためＳｉ面と呼ばれる。上述した６√３×６√３という超構造は、炭素原子が蜂の巣状に配列してグラフェンと同じ原子配列構造をもつが、一部の原子が表面から第２層のＳｉ原子と結合をもつ。このため、６√３×６√３超構造は、炭素原子がグラフェンと同じ原子配列構造をもつものの、電子構造はグラフェンとは異なる。
【０００５】
このような６√３×６√３という超構造の表面を、更に高温に加熱すると、この層の下に新たに６√３×６√３超構造が形成され、新たに形成された６√３×６√３超構造の上層では、炭素原子とＳｉとの結合が解消してグラフェンとなる（非特許文献３参照）。このため、６√３×６√３超構造の層はバッファー層（炭素バッファー層）と呼ばれる。
【０００６】
また、６√３×６√３超構造は、最初の形成時に表面を覆い尽くすため、このような形成機構から形成後のグラフェンは、カーペット状に基板表面を覆い尽くし、結果的にウエハスケールで大面積のグラフェンの形成が可能になる。このような形成過程のため、大面積のグラフェンを形成してデバイス応用に展開しようという研究では、主表面がＳｉ面とされているＳｉＣ基板を用いる方法が、最も盛んに行われている。しかしながら、グラフェン層の下に６√３×６√３超構造が存在し、ここからグラフェン層に電荷が移動するため、グラフェンの電荷中性点が動いて大きくｎ型にドープされてしまうという欠点があった。
【０００７】
上述した問題を解消するために、炭素バッファー層とＳｉの結合を切って炭素バッファー層をグラフェンとし、ＳｉＣとグラフェン間のＳｉ原子のダングリングボンドを水素原子で終端する水素処理が提案されている（非特許文献４参照）。この技術では、Ｓｉ面のＳｉＣ基板を用いたグラフェンの作製において、水素雰囲気で高温に加熱する、または真空中で高温に保った基板へ原子状の水素を照射することで、炭素バッファー層とＳｉの結合を切断し、ダングリングボンドを水素終端している。
【０００８】
この状態では、炭素バッファー層とＳｉＣ基板構成原子との化学的な結合が無くなり、ＳｉＣ基板との相互作用が著しく低下するので、形成されるグラフェンは、図１２に示すように、擬似自立状態（Quasi-Free-Standing）になっていると言われている。なお、図１２において、符号１２０１は、Ｓｉ原子を示し、１２０２は、水素原子を示し、１２０３は、炭素原子を示している。
【０００９】
このような構造のため、微細加工技術によって形成された中空に自立して架橋構造を形成したグラフェン（非特許文献５参照）と同様に高移動度を示すものと期待された。しかしながら、移動度の温度依存性が小さいというグラフェン特有の電気的特性を示すことができたものの、起源が不明な電荷不純物によって散乱が起こり、期待される高移動度を示さないという結果が得られている（非特許文献６参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】K. S. Novoselov, A. K. Geim, S. V. Morozov, D. Jiang, Y. Zhang, S. V. Dubonos, I. V. Grigorieva, A. A. Firsov, "Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films", Science, vol.306, pp.666-669, 2004.
【非特許文献２】A. J. van Bommel, J. E. Crombeen, and A. van Tooren, "LEED AND AUGER ELECTORON OBSERVATIONS OF THE SiC(0001) SURFACE",Surface Science, vol.48, pp.463-472, 1975.
【非特許文献３】Hiroyuki Kageshima, Hiroki Hibino, Masao Nagase, and Hiroshi Yamaguchi, "Theoretical Study of Epitaxial Graphene Growth on SiC(0001) Surfaces",Applied Physics Express, vol.2, 065502, 2009.
【非特許文献４】C. Riedl, C. Coletti, T. Iwasaki, A. A. Zakharov, and U. Starke, "Quasi-Free-Standing Epitaxial Graphene on SiC Obtained by Hydrogen Intercalation", PHYSICAL REVIEW LETTERS, vol.103, 246804, 2009.
【非特許文献５】K.I. Bolotin, K.J. Sikes, Z. Jiang, M. Klima, G. Fudenberg, J. Hone, P. Kim, H.L. Stormer, "Ultrahigh electron mobility in suspended graphene", Solid State Communications, vol.146, pp.351-355, 2008.
【非特許文献６】Shinichi Tanabe, Makoto Takamura, Yuichi Harada, Hiroyuki Kageshima, and Hiroki Hibino, "Quantum Hall Effect and Carrier Scattering in Quasi-Free-Standing Monolayer Graphene", Applied Physics Express, vol.5, 125101, 2012.
【非特許文献７】M. Kusunoki, T. Suzuki, T. Hirayama, N. Shibata, and K. Kaneko, "A formation mechanism of carbon nanotube films on SiC(0001)", APPLIED PHYSICS LETTERS, vol.77, no.4, pp.531-533, 2000.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
以上に説明したように、炭素バッファー層とＳｉの結合を切って炭素バッファー層をグラフェンとし、ＳｉＣとグラフェン間のＳｉ原子のダングリングボンドを水素原子で終端した擬似自立状態では、想定していた性能が得られていないという問題がある。
【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、水素原子でＳｉＣ表面を終端した表面上にグラフェンが形成された構造において、本来のグラフェンの優れた特性が得られ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】
本発明に係るグラフェンの作製方法は、ＳｉＣ基板を加熱してＳｉＣ基板の表面に６√３×６√３構造の炭素バッファー層を形成する第１工程と、ＳｉＣ基板を加熱した状態で炭素バッファー層が形成されているＳｉＣ基板の表面に水素を供給し、炭素バッファー層と基板側のＳｉとの結合を切断してグラフェンとし、グラフェンとＳｉＣ基板との間に存在するＳｉのダングリングボンドを水素で終端する第２工程と、グラフェンを形成したＳｉＣ基板を真空中で加熱してグラフェンの基板側に存在する炭化水素を除去する第３工程とを備える。
【００１４】
上記グラフェンの作製方法において、第３工程では、炭化水素に加えてグラフェンの基板側に存在する水素分子を除去するようにしてもよい。
【００１５】
上記グラフェンの作製方法において、炭素バッファー層の上に形成されたグラフェンを備える場合、第３工程では、ＳｉＣ基板を２５０〜９５０℃の範囲のいずれかの温度で加熱すればよい。また、ＳｉＣ基板の上には炭素バッファー層のみが形成されている場合、第３工程では、ＳｉＣ基板を２５０〜６５０℃の範囲のいずれかの温度で加熱すればよい。
【００１６】
上記グラフェンの作製方法において、第３工程では、真空度が１．３３×１０-2Ｐａ以下の状態で加熱を行うようにすればよい。
【発明の効果】
【００１７】
以上説明したことにより、本発明によれば、水素原子でＳｉＣ表面を終端した表面上にグラフェンが形成された構造において、本来のグラフェンの優れた特性が得られ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】
【００１８】
【図１】図１は、本発明の実施の形態におけるグラフェンの作製方法を説明するフローチャートである。
【図２】図２は、ＳｉＣ基板を加熱して２層のグラフェンを形成した表面についてＸ線光電子分光測定を行った結果を示す特性図である。
【図３Ａ】図３Ａは、ＳｉＣ基板を加熱して２層のグラフェンを形成した表面に対するＸ線光電子分光測定により得られた炭素１ｓの光電子ピークのピークフィッティングによって詳細に解析した結果を示す特性図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、ＳｉＣ基板を加熱して２層のグラフェンを形成した表面に対するＸ線光電子分光測定により得られたＳｉ２ｓの光電子ピークのピークフィッティングによって詳細に解析した結果を示す特性図である。
【図４】図４は、ＳｉＣ基板を加熱して２層のグラフェンを形成した試料を、２×１０-6Ｐａ以下の真空中において５５０℃で１０分間加熱し、この後、ＸＰＳで測定した結果得られたＣ１ｓスペクトルを示す特性図である。
【図５】図５は、炭化水素５０３および水素分子５０４が、グラフェン５０２とＳｉＣ基板５０１の間に存在している状態を示す構成図である。
【図６】図６は、水素処理のみのグラフェン／ＳｉＣ構造と、水素処理後に前述同様の５５０℃の真空中加熱処理を行ったグラフェン／ＳｉＣ構造とを用いて各々ホールバー構造を作製し、両者の電気的特性の評価を行った結果を示す特性図である。
【図７】図７は、実施例１の試料における炭素１ｓ内殻準位の光電子スペクトルの加熱温度に対する変化を示す特性図である。
【図８】図８は、実施例１の試料における炭素１ｓ内殻準位の光電子スペクトルの加熱温度に対する強度比を示す特性図である。
【図９】図９は、実施例２の試料における炭素１ｓ内殻準位の光電子スペクトルの加熱温度に対する変化を示す特性図である。
【図１０】図１０は、実施例２の試料における炭素１ｓ内殻準位の光電子スペクトルの加熱温度に対する強度比を示す特性図である。
【図１１】図１１は、実施例３の試料における炭素１ｓ内殻準位の光電子スペクトルの加熱温度に対する強度比を示す特性図である。
【図１２】図１２は、ＳｉＣ基板上におけるグラフェンの擬似自立状態を説明するための説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
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。図１は、本発明の実施の形態におけるグラフェンの作製方法を説明するフローチャートである。この作製方法は、まず、ステップＳ１０１で、ＳｉＣ基板を加熱してＳｉＣ基板の表面に６√３×６√３構造の炭素バッファー層を形成する（第１工程）。
【００２０】
次に、ステップＳ１０２で、ＳｉＣ基板を加熱した状態で炭素バッファー層が形成されているＳｉＣ基板の表面に水素を供給し、炭素バッファー層と基板側のＳｉとの結合を切断してグラフェンとし、グラフェンとＳｉＣ基板との間に存在するＳｉのダングリングボンドを水素で終端する（第２工程）。このシリコンのダングリングボンドは、主に上述した切断により生じたものである。
【００２１】
例えば、ＳｉＣ基板を用いた熱分解法によるグラフェンの作製において、ＳｉＣの（０００１）指数面（Ｓｉ面）において、グラフェンが形成されるよりも少し低い温度領域では、６√３×６√３という表面超構造の炭素バッファー層が形成される。また、この状態より更に高温に加熱すると、既に形成されている炭素バッファー層の下に新たに炭素バッファー層が形成され、既に形成されていた炭素バッファー層は、炭素原子とＳｉとの結合が切れてグラフェンとなる。
【００２２】
以上のように形成した単層の炭素バッファー層や上層にグラフェンが形成されている炭素バッファー層を、水素雰囲気で高温に加熱する、または真空中で高温に保った基板へ原子状の水素を照射することで、炭素バッファー層とＳｉの結合を切断し、ダングリングボンドを水素終端することができる。Ｓｉとの結合が切断されることで、炭素バッファー層はグラフェンとなる。炭素バッファー層のみが形成されていた場合、ＳｉＣ基板の上には、１層のグラフェンが形成された状態となる（グラフェン／ＳｉＣ構造）。また、炭素バッファー層の上にグラフェンが形成されていた場合、ＳｉＣ基板の上には、複数層のグラフェンが形成された状態となる。
【００２３】
以上のようにしてグラフェンを形成した後、ステップＳ１０３で、グラフェンを形成したＳｉＣ基板を真空中で加熱してグラフェンの基板側に存在する炭化水素を除去する（第３工程）。例えば、単層の炭素バッファー層を形成した場合、２５０〜６５０℃の範囲のいずれかの温度で加熱すればよい。また、上層にグラフェンが形成されている炭素バッファー層の場合、２５０〜９５０℃の範囲のいずれかの温度で加熱すればよい。
【００２４】
以上のことにより、ステップＳ１０２の水素処理により発生した問題が解消され、本来のグラフェンの優れた特性が得られるようになる。
【００２５】
以下、本発明の経緯について説明する。まず、水素処理によって形成したグラフェンが、期待される高移動度を示さない原因について調査した。原因を調べるため、１３３３２２ＰａのＡｒ雰囲気で１７５０℃に加熱してＳｉＣ（０００１）面に炭素バッファー層の上に１層のグラフェンを形成した構造の試料を作製し、大気圧の水素雰囲気において１０００℃で３時間加熱し、ＳｉＣ基板の上に炭素バッファー層のない２層のグラフェンの構造を作製した。
【００２６】
上述した２層のグラフェンを形成した表面についてＸ線光電子分光（ＸＰＳ）測定を行った。この結果、図２に示すように、ノイズレベルのごく少量の酸素のピークが検出されたが、表面にはこの構造の構成元素である炭素と珪素のピークのみしか検出されなかった。次いで、各々の光電子ピークを測定し、ピークフィッティングによって詳細に解析したところ、図３Ａ，図３Ｂに示すように、上述した表面で期待されるグラフェンとＳｉＣのバルクおよびＳｉ−Ｈ結合の状態に加え、炭化水素の存在を示す状態が確認された。
【００２７】
確認された炭化水素は、水素処理中にグラフェンやＳｉＣ中の炭素原子と雰囲気にある水素とが反応して生成され、炭素バッファー層であったグラフェンとＳｉＣ基板との間に留まったものと予測される。この炭化水素は、理想的な水素終端ＳｉＣ上のグラフェンの構造には必要のないものであり、不純物である。また、後述するＸＰＳ測定のＣ１ｓスペクトルにおけるグラフェンとＳｉＣ基板との間からは、光電子分光では検出が困難な水素分子の残留も示唆され、これも不純物である。このため、これらが、前述した散乱の原因となっている不純物である可能性がある。
【００２８】
発明者らの、上述した鋭意検討の結果により判明した不純物と思われる炭化水素を除去する目的で、真空中における加熱処理を検討した。上述した測定を行った試料を、２×１０-6Ｐａ以下の真空中において５５０℃で１０分間加熱し、この後、ＸＰＳで測定した。このＸＰＳ測定により得られたＣ１ｓスペクトルを図４に示す。加熱後に炭化水素由来のピークが消失していることが分かる。
【００２９】
また、図３Ａと図４とのＣ１ｓ光電子スペクトルを比較すると、グラフェンのピーク強度はほとんど変化していないのに対し、ＳｉＣバルクに対応する炭素原子の状態のピーク強度は増加している。これらのことは、図５に示すように、炭化水素５０３が、グラフェン５０２とＳｉＣ基板５０１の間に存在していたことを示している。このように、水素処理直後と、これを加熱処理した後との両者の結果を比較することによって、水素処理後には存在していたグラフェンとＳｉＣ基板の間にあった不純物である炭化水素が、加熱処理によって消失したことが判明した。さらに、図５に示すように、水素分子５０４がグラフェン５０２とＳｉＣ基板５０１の間に侵入して初めてＳｉのダングリングボンドを終端することができるので、ここに水素分子５０４が残留していたと考えられ、これも消失すると考えられる。
【００３０】
以上の詳細な検討より、水素処理したグラフェンの電気特性の改善に真空中における加熱処理が有効であると考え、本発明に至った。本発明は、発明者らの鋭意検討によるＸＰＳによる専門的な表面分析法と、測定結果の詳細な解析による水素処理後の界面状態と加熱処理による現象の解明という高度な解析によって初めて成し得たものであり、従来の技術の単純な延長による推測により達成できるものではない。
【００３１】
水素処理のみのグラフェン／ＳｉＣ構造と、水素処理後に前述同様の５５０℃の真空中加熱処理を行ったグラフェン／ＳｉＣ構造とを用いて各々ホールバー構造を作製し、両者の電気的特性の評価を行った。図６に、評価の結果を示す。図６において（ａ）が、真空中の加熱処理を行った後の状態を示し、（ｂ）が真空中加熱処理前の状態を示している。
【００３２】
両者を比べると、真空中で加熱処理を施した構造を用いた場合（ａ）は、加熱処理の無い場合（ｂ）に比べて移動度が約３倍になっている。このように、真空中加熱処理によって特性が改善されることが分かった。以上の結果から明らかなように、本発明によれば、水素処理によって特性が劣化したグラフェン／ＳｉＣ構造について、電気的特性の改善が図れ、本来のグラフェンの優れた特性が得られるようになるという効果があることが示された。
【００３３】
以下、実施例を用いてより詳細に説明する。
【００３４】
［実施例１］
はじめに、実施例１について説明する。まず、１層のグラフェンをＳｉＣ基板のＳｉ面に形成し、次いで、３０分間水素処理することで２層グラフェン／水素終端ＳｉＣ構造を形成した。この水素処理によって２層グラフェンとなった構造を形成した試料を真空槽中に導入し、試料（ＳｉＣ基板）背面に設置したヒータの輻射熱で加熱した。残留ガスとの反応を避けるため、試料加熱中の真空槽内の真空度を２×１０-6Ｐａ以下に保った。
【００３５】
ここで、グラフェンが形成されていないＳｉＣ基板では、１．３３×１０-2Ｐａ程度の真空度でカーボンナノチューブが表面に形成されると報告されている（非特許文献７参照）。この報告の現象は、超高真空中ではグラフェンが形成されるところが、残留ガスによる表面劣化のためグラフェンがナノチューブ化していることによるものと推測されている。上述した報告は、Ｃ面［（０００−１）指数面］における結果ではあるが、ＳｉＣの表面がこの程度の真空度の残留ガスと反応することを示しており、Ｓｉ面においても基板表面が劣化することが推察される。これらのことから、加熱中の真空度は１．３３×１０-2Ｐａ以下の真空度とすることが重要となる。
【００３６】
このような条件の下で真空中において試料を加熱し、加熱温度を段階的に１００℃ずつ上昇させ、所定の温度に到達した後で一定時間保持し、この後、室温（２５℃程度）近くまで冷却した後、ＸＰＳによって表面状態を分析した。この分析結果を図７に示す、図７は、実施例１の試料における炭素１ｓ内殻準位の光電子スペクトルの加熱温度に対する変化を示す特性図である。２８３ｅＶ付近のＳｉＣバルクのピークに対する２８４．５ｅＶ付近のグラフェンのピークの強度比が、真空状態とした直後から加熱するに従って大きくなっているのが分かる。
【００３７】
上述した状態を明確に示すため、加熱温度に対する強度比を図８に示す。図８に示すように、５５０℃までこの強度比が上昇し、この後ほぼ一定の値をとっている。このことは、前述の炭素１ｓスペクトルの詳細な解析から、グラフェン／水素終端ＳｉＣ界面からの炭化水素分子の脱離が５５０℃で完了したことを示す。
【００３８】
また、図７に示すＳｉＣバルクに対応するピークは、９７５℃の加熱で結合エネルギーが高い方へシフトしている。これは、表面付近のバンド湾曲が減少していることを示している。このバンド湾曲の減少は、終端していた水素原子の脱離が始まり、グラフェンが一部炭素バッファー層に戻り、グラフェン２層の状態から炭素バッファー層上にグラフェン１層が存在する状態に変化している現象に対応し、水素終端面が一部消失しはじめていることに対応する。
【００３９】
以上の結果より、２層グラフェン／水素終端ＳｉＣ構造の場合には、真空中で５５０℃から９５０℃の間で加熱する工程によって、水素終端面を維持しつつ炭化水素を界面から除去できることが分かる。この処理により、図１２を用いて説明した理想的なグラフェン／水素終端ＳｉＣ界面を得ることができる。
【００４０】
［実施例２］
次に、実施例２について説明する。実施例２では、ＳｉＣ基板を加熱処理し、表面に炭素バッファー層のみが形成され、グラフェン層が表面に形成されていない状態の試料を作製した。この試料について、水素処理を施し、ＳｉＣ基板の上に、１層のグラフェンが形成され、また、この下のＳｉが水素終端された状態とした。この試料について、前述した実施例１と同様の実験を行った。
【００４１】
実験では、２×１０-6Ｐａ程度の真空度の真空槽内で試料を加熱し、加熱温度を段階的に１００℃ずつ上昇させ、所定の温度に到達した後で一定時間保持し、この後、室温（２５℃程度）近くまで冷却した後、ＸＰＳによって表面状態を分析した。この分析結果を図９に示す。図９は、実施例２の試料における炭素１ｓ内殻準位の光電子スペクトルの加熱温度に対する変化を示す特性図である。実施例１の結果と同様に、２８２．３ｅＶ付近のＳｉＣバルクのピークに対する２８４．１ｅＶ付近のグラフェンのピークの強度比が、真空状態とした直後から加熱するに従って、大きくなっている。
【００４２】
上述した状態を明確にするために、加熱温度に対する強度比を図１０に示す。図１０に示すように、２５０℃の加熱で既に最大強度比に達し、９５０℃から強度比が下がり始めているのが分かる。このことから、２５０℃の加熱で既に炭化水素の脱離が完了し、理想的なグラフェン／水素終端ＳｉＣ構造が形成されていることが分かる。次に、図９に示す炭素１ｓスペクトルのＳｉＣバルクピークの位置に注目すると、６５０℃からピークの位置が、結合エネルギーが高い方へシフトしている。これは、実施例１の結果と同様に、グラフェンが炭素バッファー層に戻り、バンド湾曲が減少している現象に対応しており、水素終端面が一部消失しはじめていることに対応する。
【００４３】
以上の結果より、１層グラフェン／水素終端ＳｉＣ構造の場合には、真空中で２５０℃から６５０℃の間で加熱する工程によって水素終端面を維持しつつ炭化水素を界面から除去できることが分かる。この処理により、図１２を用いて説明した理想的なグラフェン／水素終端ＳｉＣ界面を得ることができる。
【００４４】
［実施例３］
次に、実施例３について説明する。実施例３では、前述した実施例１と同様な構造を作製した後、水素処理を１時間行って試料を作製し、実施例１と同様な実験を行った。この結果得られた加熱温度に対するＳｉＣバルクのピークとグラフェンのピークの強度比を図１１に示す。この場合は、強度比は２５０℃で一度増加するものの、３５０℃および４５０℃では小さくなり、６５０℃の加熱で再度増加する。
【００４５】
この３５０℃と４５０℃における強度比の減少は、グラフェンとＳｉＣ基板との間隔の増加を示しており、２５０℃でグラフェンとＳｉＣ基板との間に存在していた炭化水素と水素分子が脱離した後に、さらなる加熱で基板に拡散していた水素分子がこの空間に再度侵入してきたことを示唆している。さらに６５０℃まで加熱すると、この水素分子が脱離すると伴に、ＳｉＣ基板からの水素分子の供給も無くなる。
【００４６】
以上の結果より、２層グラフェン／水素終端ＳｉＣ構造の場合で水素処理時間が長い場合には、ＳｉＣ基板に吸蔵される水素分子が多くなるため、複雑な変化を示すが、２５０℃の加熱からグラフェンとＳｉＣ基板との間に存在していた炭化水素と水素分子の脱離が開始し、水素終端面を維持しつつ界面から除去できることがわかる。また、上述した加熱処理により炭化水素に加えてグラフェンの基板側に存在する水素分子を除去することで、図１２を用いて説明した理想的なグラフェン水素終端ＳｉＣ界面を得ることができる。
【００４７】
以上に説明したように、本発明によれば、ＳｉＣ基板を加熱した後で水素処理してグラフェンを形成した後、真空中で加熱するようにしたので、水素原子でＳｉＣ表面を終端した表面上にグラフェンが形成された構造において、本来のグラフェンの優れた特性が得られるようになる。
【００４８】
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、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。
【符号の説明】
【００４９】
５０１…ＳｉＣ基板、５０２…グラフェン、５０３…炭化水素、５０４…水素分子。
【図１】
2014162683.tif 000003
【図２】
2014162683.tif 000004
【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
2014162683.tif 000006
【図４】
2014162683.tif 000007
【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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