(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
型板（１）上に結晶表面構造（４）を製造するための方法であって、前記方法は、
基板（２）上に型板（１）を配置する工程と、
型板（１）を反応環境に提供する工程であって、前記結晶表面構造（４）の形成のために必要とされる１つ以上の成分（３）が前記型板（１）内に含まれている、工程と、
前記型板（１）内の１つ以上の前記成分（３）の移動度を上昇させ、かつ前記型板−環境の界面上の１つ以上の前記成分（３）の表面拡散距離を上昇させるために、前記反応環境内において前記型板（１）を加熱して、１つ以上の前記成分（３）を前記型板（１）内に均質に含浸する工程と、
移動性の前記成分（３）を、前記型板−環境の界面の方に移動させ、かつ前記型板（１）の表面上に前記成分（３）を前記結晶表面構造（４）として組織化させるために、前記反応環境内における条件を変化させることによって、前記型板（１）を活性化する工程と、を含み、
前記成分（３）は、炭素であり、
前記結晶表面構造（４）は、単分子層の結晶表面（ＭＣＳ）構造であるか、または１〜１０層を有する数層の結晶表面（ＦＣＳ）構造である、方法。
【請求項２】
前記反応環境内における条件を変化させることによって、前記型板（１）を活性化する工程は、前記型板（１）の化学反応による、および／または、過飽和による、前記型板のバルクから前記成分（３）を放出する工程を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記反応環境内における条件を変化させることによって、前記型板（１）を活性化する工程は、前記型板（１）の温度を変化させる工程、および／または、前記反応環境内において、前記成分（３）の分圧を変化させる工程を含む、請求項１または請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記方法は、
気体または液体の流れにおいて、前記型板（１）に対して、前記成分（３）を前記反応環境に導入することにより、かつ前記成分（３）を加熱された型板（１）に拡散させることにより、前記加熱された型板（１）を前記成分（３）により含浸させる工程をさらに含む、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記加熱された型板（１）を含浸させる工程は、前記成分（３）を放出し、前記型板（１）内において拡散させるために、前記反応環境内において熱的または化学的に分解する１つ以上の前駆体（５）の一部として、前記成分（３）を前記反応環境に導入する工程をさらに含む、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記加熱された型板（１）を含浸させる工程は、炭素を前記型板（１）へと拡散させるために、前記型板（１）と接触している前記反応環境に、一酸化炭素（ＣＯ）前駆体を導入する工程をさらに含む、請求項４または請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記結晶表面構造（４）はグラフェンである、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記型板（１）の材料は、遷移金属、酸化物、窒化物、または炭化物を含む、請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記基板（２）上のその型板（１）の表面張力およびぬれ角は、その液状の型板（１）が前記基板（２）に亘って連続した膜を形成するように、十分に小さい、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
製品の製造における、請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の方法の使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は薄膜成長技術に関する。より詳細には、本発明は、結晶表面構造および１つの型板の表面上に結晶構造を製造するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
いわゆる単分子層の結晶表面（ＭＣＳ）構造の例としては、実質的に二次元格子状の炭素（例えばグラフェン）、窒素、およびホウ素が挙げられる。多くの平行した単分子層が存在する場合、このような構造は、バルク物質（薄膜とは対照的に）を構成する。実質的に同一平面のＭＣＳ構造の１個〜１０個の層化された構造は、数層が層化された（ｆｅｗ−ｌａｙｅｒｅｄ）結晶表面（ＦＣＳ）構造と呼ばれる場合があり、また、それらは薄膜と呼ばれる場合がある。実質的に同一平面のＦＣＳ構造の１０個の層を含むバルク物質または多数が層化された（ｍａｎｙ−ｌａｙｅｒｅｄ）物質は、炭素を含むとき、グラファイトとよばれる。ＦＣＳ構造は、層の数が少ないとき、量子効果が重要である点で、バルクと区別可能である。
【０００３】
グラフェンベースの部品は、例えば導電性の経路、トランジスタ、およびセンサ等において、広範な用途を有する。ＦＣＳ構造は、その一意かつ有用な物理的および化学的特性に起因して、非常に興味深いものである。ＦＣＳ構造は、例えば、ポリマー中で、柔軟かつ透明の電子デバイスを作製することを可能にする。
【０００４】
理想的には、明確に定義された特性の、および特定の位置における、ＦＣＳ構造（１つまたは数個の単分子層を含む）の各々のリボンですら、多くの用途に対しても十分である。このような構造の例は、グラフェンナノリボン（ＧＮＲ）である。これらの構造が狭い（数ナノメートル程度の広さ）か、または薄い（数個の原子の層厚さ程度）場合、それらは多くの用途に対して有用な量子効果を示す。
【０００５】
例えばグラフェン等の特定のＦＣＳ構造の高伝導性は、これらの構造を極めて高いアスペクト比を有する２Ｄ構造、例えばグラフェン（炭素）ナノリボンへと形成する能力と共に、高性能の電子部品の製造を可能にする。ＦＣＳ構造またはそれらから製造される高アスペクト比の構造は、例えば、トランジスタまたはセンサの導体または半導体のチャネルとして、あるいは、透明電極における導体部品として利用されてもよい。
【０００６】
グラフェンおよびカーボンナノリボンがベースのデバイスは、ガス検知器、トランジスタ、および透明導電層として既に首尾良く利用されている。また、原材料と製造プロセスとが高コストであると共に、脆弱性や色合いに関連する性能に対して障害となっていることにより、業務上の耐用年数を制限している透明電極内のＩＴＯの代わりとなる有力な候補としてもまた、そうしたデバイスが想定されている。
【０００７】
様々な目的に対して、ＦＣＳ構造が制御された形で合成されること（ＦＣＳ構造の幾何学形状および／またはその配置が制御可能であること）が必要とされている。さらに、既に基板上に統合されているＦＣＳ構造は、ランダムに製造された「単独（ｓｔａｎｄ−ａｌｏｎｅ）」の断片（例えば溶液中において）よりも、扱い易く、集め易く、かつデバイスに統合し易い。さらに、結合から離れた断片は、折れ曲がったり、または巻きついたりする傾向があり、その結果、そうした断片の有用な特性を低減させたり、または無効にさせたりする。
【０００８】
これまで、個々のＦＣＳ構造に基づいたＦＣＳ構造およびデバイスの製造は、一般的に、非常に困難であり、多大な時間を必要とするものであり、市販用にするには高価であった。例えば、グラフェンの場合、炭素ＭＣＳ構造（グラフェン）を製造するためには、グラファイトからの物理的または化学的剥離のみが確認されている。剥離方法の例は、非特許文献１に開示されている。このような方法の不利点としては、例えば、品質および位置の両方に関して、最終的な製品の制御を欠いていること、ならびに、基板上または溶液中でのＭＣＳシートの典型的にはランダムかつ断片化された分散が挙げられる。従来技術の方法に付随する諸問題、一貫した製品を製造することにおける困難性、基板上での製品の位置の制御、および製品をパターニングすることが相俟って、複雑かつ高価な製造プロセスとなってしまう。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Ｎｏｖｏｓｅｌｏｖ  Ｋ．Ｓ．，Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  ｉｎ  Ａｔｏｍｉｃａｌｌｙ  Ｔｈｉｎ  Ｃａｒｂｏｎ  Ｆｉｌｍｓ，Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｖｏｌ．３０６，ｎｏ．５６９６，  ｐｐ．６６６−６６９，２００４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の目的は、結晶表面構造、特に型板上において、数層が層化された結晶表面構造（ＦＣＳ構造）を製造する新たな種類の方法を提供することによって、従来技術の前述の技術的諸問題を減少させることである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る方法は、特許請求の範囲の請求項１に提示されるものにより特徴付けられる。
【００１２】
本発明に係る方法は、移送基板に型板から結晶表面構造を転写するための方法であって、前記方法は、移送基板に近接して、型板上の結晶表面構造を近接して配置するステップと、型板から移送基板に結晶表面構造を移送する工程とを含む。
【００１３】
型板上に結晶表面構造を製造するための方法であって、前記方法は、型板を反応環境に提供する工程であって、前記結晶表面構造の形成のために必要とされる１つ以上の成分が前記型板内に含まれている、工程と、前記型板内の前記成分の移動度を上昇させ、かつ型板−環境の界面上の前記成分の表面拡散距離を上昇させるために、前記反応環境内において前記型板を加熱する工程と、移動性の前記成分を、前記型板−環境の界面の方にゆっくりと移動させ、かつ前記型板の表面上に前記成分を結晶構造として組織化させるために、前記反応環境内における条件を変化させることによって、前記型板を活性化する工程と、を含む。さらに、前記結晶表面は、単分子層の結晶表面（ＭＣＳ）構造であるか、または数層からなる結晶表面（ＦＣＳ）構造である。
【００１４】
本発明に係る結晶表面構造は、本発明に係る方法によって製造される。
【００１５】
本発明によれば、本発明に係る方法は、製品の製造において用いられる。
【００１６】
本発明の一実施形態によれば、前記反応環境内における条件を変化させることによって、前記型板を活性化する工程は、前記型板の化学反応による、および／または、過飽和による、前記型板のバルクから前記成分を放出する工程を含む。
【００１７】
本発明の一実施形態によれば、前記反応環境内における条件を変化させることによって、前記型板を活性化する工程は、前記型板の温度を変化させる工程、および／または、前記反応環境内において、前記成分の分圧を変化させる工程を含む。
【００１８】
数層から層化された結晶構造（ＦＣＳ）は、個々の原子層が、互いに共有結合されるのではなく、互いに平面内においてグライドする（ｇｌｉｄｅ）ことができる。
【００１９】
上記型板に亘って結晶表面構造を形成するのに必要とされる、１つ、一部、または全ての成分を含む上記型板を加熱する工程は、上記型板の内側で、および上記型板−環境の界面における両方において、これらの成分の原子または分子の移動度を上昇させる。上記型板、および／または上記型板を保持する上記反応環境の条件が適切に変化された場合、少なくとも上記成分の一部は、上記型板内から上記型板−環境の界面へと移動する。移動率が十分に低く、かつ上記型板の表面上の成分（または複数の成分）の表面拡散距離が十分に長いことを保証すると、移動した成分の原子は、上記型板の表面上において十分に高い移動度を有し、エネルギーが極小にて核を成す。上記型板の表面上の成分（または複数の成分）の表面拡散距離は、上記型板の温度および上記反応環境の圧力を制御することによって制御可能である。これらのパラメータは調節される必要があり、その結果、上記表面拡散距離は十分に長いので、二次元の（平坦な）（ｔｗｏ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ）結晶成長を可能にし、同時に、それらの成分が、上記型板の表面上において不安定にならないことを保証する。一部の材料は、二次元の構成において局所的に最小のエネルギーを有するので、本発明に係る方法は、単分子層の厚さで、すなわち、ＭＣＳ（単分子層結晶表面）構造で、結晶表面構造を生成するために用いられてよい。
【００２０】
本発明に係る方法は、さらに制御を困難にする信頼できない剥離技術を必要とせずに、金属、絶縁体、ポリマー、または他の有用な基板上に、容易にかつ効果的にＦＣＳ構造を合成するためのシンプルな方法を提供する。この方法は、型板の表面上に、断片化されない連続した結晶表面構造を生成することを可能にする。この結果としての構造は、通常、上記型板の形状に適合する。このように、長い、すなわち実質的に無限の曲率半径を有する適切な形状の型板を用いることによって、結晶材料の実質的に平坦なシートが上記型板上に生成されてよい。上記型板は、例えば、固体、ガラス状、または液体の材料であってもよい。
【００２１】
本発明の一実施形態によれば、本方法は、気体または液体の流れにおいて、前記型板に対して、前記成分を前記反応環境に導入することにより、かつ前記成分を加熱された型板に拡散させることにより、前記加熱された型板を前記成分（３）により含浸させる工程を含む。
【００２２】
本発明の一実施形態によれば、前記加熱された型板を含浸させる工程は、前記成分を放出し、前記型板内において拡散させるために、前記反応環境内において熱的または化学的に分解する１つ以上の前駆体の一部として、前記成分を前記反応環境に導入する工程をさらに含む。
【００２３】
本発明の一実施形態によれば、前記加熱された型板を含浸させる工程は、炭素を前記型板へと拡散させるために、前記型板と接触している前記反応環境に、一酸化炭素（ＣＯ）前駆体を導入する工程をさらに含む。
【００２４】
上記型板の含浸は、反応環境内に上記型板に配置し、かつ上記型板が含浸される上記成分を組み込んでいるガス状の組成物に上記型板を露出させることによって、シンプルに行われてよい。上記ガス状の組成物中の１つ以上の成分は、元素の形態であってもよく、または、前駆体分子の一部であってもよい。
【００２５】
本発明の一実施形態によれば、前記成分は、炭素、窒素、およびホウ素の群より選択される。
【００２６】
本発明の一実施形態によれば、前記結晶表面構造はグラフェンである。
【００２７】
炭素、窒素、およびホウ素は、二次元の構成において、局所的にエネルギーが最小となる（ｌｏｃａｌ  ｅｎｅｒｇｙ  ｍｉｎｕｍｕｍ）結晶構造を有することが公知である成分である。それゆえ炭素、窒素、およびホウ素は、本発明にかかる方法を用いて取得可能なＦＣＳ構造に対しては適切な材料である。特に、興味深い電気的、化学的、および機械的特性を有するグラフェンは、上記型板を炭素で含浸させるための前駆体として、一酸化炭素（ＣＯ）を用いることによって製造されてもよい。本発明の一実施形態に係る一方法において、炭素は、上記型板内から上記型板の表面上に移動するようになされてよい。上記型板の表面上において、炭素の原子は、表面拡散によってグラフェンとして自己組織化し得て、結晶格子のエネルギーを最小化し得る。
【００２８】
本発明の一実施形態によれば、前記型板の材料は、遷移金属、酸化物、窒化物、または炭化物を含む。これらの型板の材料は、炭素、窒素、またはホウ素で含浸するのに適している。というのも、これらの成分が上述の型板の材料へと拡散する速度（移動する速度）は、型板が低い温度であっても、またその型板とその環境との間に濃度差が僅かにあっても、本質的に、比較的速いからである。こうした本質的に高い速度の拡散と高い速度の移動により、上記型板の均質な含浸、および上記型板の表面上へのＦＣＳ構造の信頼できる製造にとって有益である外部のプロセスパラメータにより、これらのプロセスをさらに効率的に制御することができる。
【００２９】
本発明の一実施形態によれば、本方法は、基板上に前記型板を配置する工程をさらに含む。この基板は、通常、固体またはガラス状（ｖｉｔｒｅｏｕｓ）である。
【００３０】
本発明の一実施形態によれば、前記型板は液状であり、前記基板上のその型板の表面張力およびぬれ角は、その液状の型板が前記基板に亘って連続した膜を形成するように、十分に小さい。
【００３１】
上記型板が液相である（または、本発明に係る方法の間に液体となる）場合、基板は機械的に上記型板を支持する必要がある場合がある。液状の型板の材料を使用することは、例えば、固体の型板と比較して、本質的に、速い移動と拡散のプロセスに起因して、有益であってよく、このことは、外部のプロセスパラメータによって、その移動および拡散をさらに効率良く制御することを可能にする。このようなプロセスパラメータとしては、反応環境の温度、圧力、および／または化学組成が挙げられる。
【００３２】
本発明のさらなる利点は、型板上において、結晶構造、特にＦＣＳ構造を製造する方法を提供することであり、このことから、このＦＣＳ構造は、第２の、例えば、ポリマー、基板上へと容易に移動できるか、または電子デバイスへと一体化され得る。上記型板を異なる成分で含浸することによって、得られるＦＣＳ構造は、これらの異なる成分を含んだ異なる組成において製造可能である。本発明に係る方法は、従来技術よりも、ＦＣＳ構造を製造するための、より簡素で、コストの安い、そしてより多用途の方法を可能にし、これにより、低減されたコストおよびより良い性能を可能にする。
【００３３】
本発明は、例えば、グラフェンまたは他のＦＣＳ構造を含む、均質、またはパターニングされた透明で、伝導性かつ柔軟なポリマー薄膜を製造することに特に有用である。本発明は、不透明または透明電極、相互接続部品、トランジスタ部品、メモリ部品、ダイオード、レーザ、フィルタ、光学吸収部品、可飽和吸収部品、電界エミッタ、光学レセプタ、論理ゲート、インバータ、プローブ等の光学および電子の応用、超コンデンサ、水素貯蔵（例えば燃料電池内の）等の電気化学のデバイス、ガスセンサ、電極材料、および／または分析用のボルタメトリー、バイオセンサ用の改質器等の分析用途、クロマトグラフィー用途、帯電防止のシールディングのための導電複合材料、電磁波妨害のシールディングのための透明導体等の機械的用途、顕微鏡用の電子銃、例えば、マイクロ波増幅器および／または電界放出ディスプレイにおける電界放出カソード、ガス貯蔵、電界効果トランジスタ、ナノリボンの電気機械アクチュエータ、リチウムバッテリ、光源、可飽和吸収部品、ナノセンサ、太陽電池、燃料電池、超コンデンサ、および／または熱イオンの電源等の電極等に適切である、例えば、コーティングされた、かつ複数層からなるか、または３次元の構造物の製造においてもまた用いられてもよい。
【００３４】
本明細書において記載された本発明の実施形態は、互いに任意の組合せにおいて用いられてもよい。それらの実施形態のいくつかは組み合わされて、本発明のさらなる実施形態を形成してもよい。本発明が関連する方法、製品、または使用は、本明細書において記載された本発明の実施形態の少なくとも１つを含んでよい。
【００３５】
以下において、本発明は、添付の図面を参照することによって例示的な実施形態を用いてさらに詳細に記載される。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】図１ａから図１ｄは本発明の１つの実施形態に係る方法を概略的に示す一連の図である。
【図２】図２ａから図２ｄは本発明の１つの実施形態に係る方法を概略的に示す一連の図である。
【図３】図３ａから図３ｄは本発明の１つの実施形態に係る方法を概略的に示す一連の図である。
【図４】図４は本発明の一部の実施形態に係る方法のフローチャート図である。
【図５】図５は本発明の一部の実施形態に係る方法のフローチャート図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
簡素化のため、部材の番号は、部品を反復する場合、以下の例示的な実施形態において維持される。
【００３８】
図４のフローチャートは、一部の詳細においては、一連の図１ａ〜図１ｄおよび図２ａ〜図２ｄによって提示される本発明の実施形態のプロセスの工程を示す。
【００３９】
図１ａ〜図１ｄは、本発明の一実施形態に係る結晶構造の製造プロセスを概略的に示す。各々の図は、製造プロセスの１つの工程における、型板１およびその型板１を支持する基板２の概略的な断面図を示す。図の順序は、製造プロセス中のプロセスの工程の順に対応している。
【００４０】
図１ａから図１ｄによって示される実施形態において、第１の工程Ｓ１は、反応環境に型板１を導入することである。この反応環境は、可能であれば、ポンプで真空にされてもよい。この後に、工程Ｓ２において、この反応環境が適切なプロセス温度に加熱され、この反応環境はまた、型板１および支持基板２を加熱する。型板１は、この反応環境内に置かれ、工程Ｓ３において、１つ以上の成分３で含浸される。これらの成分３は、本方法の後の段階において、その型板上に結晶構造４を構成する。この工程Ｓ３の間、図１ａに示されているが、型板１が加熱されて、成分（または複数の成分）３の分子または原子に対して露出される。例えば、反応環境内のガス流において、成分３を供給することによって含浸が行われてよい。型板１を加熱して、気相から型板１への成分３の拡散率を上昇させる（図１ｂ）。図１ａ〜図１ｄにおける型板１は固体基板２によって支持され、型板１は均質であってよく、またはパターン化されていてよい。
【００４１】
型板１が十分に長く気相の成分３に対して露出されると、型板１は成分３で飽和し得、この時点で、型板１への成分３の正味の拡散は生じない。型板１が含浸された（図１ｂ）後、反応環境における条件が変化されて（工程Ｓ４）、型板１内の成分３は、型板１の表面へと移動し始め（図１ｃ）、すなわち、型板１が「活性化」される。生じる移動に対する反応環境内の条件の適切な変化には、例えば、型板１の温度が下がり、成分３による型板１の過飽和を生じる、反応環境内で成分３の圧力が部分的に下がる、または、型板１の温度が上昇し、型板１内で熱的に支援された生じるべき化学反応を引き起こす、などが挙げられる。この化学反応は、型板１内から、成分３を放出する型板１の材料を分離させることを引き起こし得る。驚くべきことに、移動率が十分に低く、かつ型板１上の成分３の表面移動度が十分に高い場合、成分３は二次元結晶表面構造４において自己組織化して型板１の形状に適合することを好むことが認められる（工程Ｓ５および図１ｄ）。形成された特定の結晶構造４が二次元構成において最小の局所的なエネルギーを有する条件において、これは生じる。
【００４２】
結晶表面構造４が型板１の形状に適合すると、結晶表面構造４の合成のための前述のメカニズムは、型板１の表面領域の大きさおよび形状を制御することによって、得られる結晶表面構造４の大きさおよび形状を制御することができる。さらに、開示された方法は、従来の場合によってはエピタキシャルの、膜蒸着法（例えばＣＶＤ、ＭＯＣＶＤ、スパッタリング、ＰＶＤ等）（この方法においては、ある構造は、外界側から基板上に合成される、すなわちその構造は基板上に積層される）とは対照的に、構造４の成長が、型板内で生じるという事実に起因し、ＦＣＳ構造の製造にとって特に適している。型板１内から、型板１の表面へと成分３を移動させることによって、形成される結晶構造４自体が、成分３に対して、移動障壁として効果的に作用する。これは、既に形成されている結晶表面構造４上に成分３を積層しないようにするものであり、その結果、その結晶表面構造４の厚さを薄いままとするので、２次元の構造４を選好するものである。例えば、炭素、窒素、および／またはホウ素の群より成分３を適切に選択することで、成分３が二次元の構成において、局所的なエネルギーを最小限にする結晶構造４を形成することが公知であるので、これらの成分３のＭＳＣ構造が本明細書において開示された方法を用いて容易に合成可能である。
【００４３】
図２ａから図２ｄは、本発明の１つの実施形態に係る結晶構造の製造プロセスを概略的に図示する。各々の図は、製造プロセスの１つの工程における、型板１と、その型板１を支持する基板２の概略的な断面図を示す。図面の順序は、製造プロセスにおけるプロセスの工程の順序に対応する。図２ａから図２ｄによって概略的に示される方法は、工程Ｓ３における前駆体分子の一部として成分３が反応環境に供給される点（図２ａ）において、図１ａから図１ｄに示されるものとは異なる。前駆体５は、例えば液体または気体の状態において、結晶表面構造４の材料の成分３を含む。反応環境内の条件は調節可能であるので、前駆体５は、型板１の表面と接触して反応および／または分解されて、反応環境と型板１の表面との間の界面において成分３を放出する。前駆体分子５が加熱された反応環境に到達して分解されると、その前駆体分子５は型板１へと拡散した成分３を放出して、それを含浸させる（図２ｂ）。型板１は前駆体５の分解に、触媒的に関与してもよい。前駆体分子５の残った部分６は、排出経路を介して、反応環境から洗い流される。例えば、反応環境および型板１の温度がその後に変化した（場合によっては分離を導く過飽和または化学反応が型板１内で各々狙われるかどうかに依存して低下または上昇する）場合、工程Ｓ４において、型板内に残っている成分３は、型板の表面の方に移動し始めて（図２ｃ）、結晶表面構造４、例えば上述したように、ＦＣＳ構造を形成する（工程Ｓ５、図２ｄ）。
【００４４】
図３ａから図３ｄは、本発明の一実施形態に係る結晶構造の別の製造プロセスを概略的に示す。各々の図面は、製造プロセスの１つの工程における、型板１とその型板１を支持する基板２の概略的な断面図を示す。図の順序は製造プロセスにおけるプロセスの工程の順序に対応する。図３ａから図３ｄにおいて、型板１は、反応環境へと挿入される場合には、前駆体分子５で既に含浸されている（図３ａ）。この実施形態における前駆体分子５は、成分３に結合する他の分子を含む、型板１内の構造的な実体として理解されてよい。反応環境および型板１が加熱された場合、前駆体分子５の残った部分６は、型板１から反応環境へと放出され、型板１内に成分３を残す（図３ｂ）。反応環境および型板１の温度がその後に低下した場合、型板内に残っている成分３は型板の表面の方へ移動し始め（図３ｃ）、結晶表面構造、例えば上述したように、ＦＣＳ構造を形成する（図３ｄ）。
【００４５】
本発明の１つの実施形態において、１つの単分子層よりも厚い結晶表面構造４の製造は、型板１の活性化を段階的に実施（ｓｔａｇｉｎｇ）することによって実現されてもよい。この実施形態において、例えば複数層からなるＦＣＳ構造は、１つ以上の成分３を型板１の表面へと輸送を段階的に実施することによって製造されてよい。例えば、含浸された型板１の温度または反応環境内の成分３の分圧は、別個の工程において減少させてもよく、それら各々の後には、型板１は過飽和となり、かつ型板１上のＦＣＳ構造の単一の層を生成し、いったん１つの層が形成されると、温度は再び低下して、さらなる原子層を形成する。このさらなる層は、以前に形成されていた層と型板１との間の中で形成されて、新たな層は、その以前の層を型板１の表面から遠ざけるように移動させる。こうした段階的な実施は、所望の数の層が得られるまで続けることができ、型板１は成分３を使い尽くすか、または成分３の移動度が、型板１上においてさらなるＦＣＳ構造へと自己組織化するには低すぎるまで下がる。図５のフローチャートは、段階的な実施がＦＣＳ構造の２つの層を製造するために用いられる方法の１つの実施形態を示す。図５の方法は図４の方法と同一であるが、唯一の違いは、工程Ｓ４と工程Ｓ５とが、各々、工程Ｓ６と工程Ｓ７とにおいて繰り返されてその実施を実現することである。
【００４６】
本発明の１つの実施形態において、反応環境は、例えば、成分３または前駆体５を、それらのソースからガス流中におよび型板１上に導入するための流入経路と、真空ポンプに連結され、反応環境から排ガスを誘導するための排出経路とを備えるチャンバであってよい。反応環境の温度、圧力、および化学組成は、加熱器、ポンプのポンピング速度、および成分３および／または他のガスを反応環境へと供給することによって制御されてもよい。
【００４７】
型板１は、様々な方法において基板２上に製造できる。例えば、本発明の一実施形態に係る方法の一部として、型板１が得られてもよく、あるいは、基板２上の型板１は、本発明とは別個の工程として、別の方法において、あらかじめ製造されることも可能である。適切な型板１が、次いで、特定用途向けに選択可能である。
【００４８】
型板１は、例えば、基板２上に型板材料を積層することによって形成可能である。この積層は、例えば、スパッタリング、化学気相堆積（ＣＶＤ）、または蒸着（ｃｏｎｄｅｎｓａｔｉｏｎ）によって行うことができる。積層後、型板１は、一般的な薄膜のパターニング技術、例えば化学エッチングまたはレーザによるパターニング等によって所望の形状へとパターン化されてよい。
【００４９】
一部の用途に必要とされる場合には、結晶表面構造４、例えばＦＣＳ構造は、別の基板（移送基板）に移送されることができる。これを達成するために、反応環境および型板１の界面上に成長した結晶表面構造４を有する型板１は、適切な移送基板とごく接近して配置されるか、または接触して配置される。初期に得られた結晶表面構造４は、均質であってもよく、または不均質であってもよい。例えばそれは、パターン化されていてもよく、並べられていてもよく、配向されていてもよく、ならびに／あるいは様々な組成であってもよい。
【実施例】
【００５０】
実施例１は、本発明の一実施形態に係る、鉄製の型板１上において、ガス状の炭素前駆体から合成されたグラフェンナノリボンに関する。この実施例において、鉄は、例えば、所望のパターン、例えばリボン状に、スパッタリングすることによって、基板２上に堆積される。次いで、基板２上において鉄が堆積した型板１が反応環境内におかれ、この反応環境内に、ガス状の炭素ソース、この場合はＣＯ前駆体（アルコールの蒸気等の有機前駆体または炭化水素、あるいはメタンもまた適切である）が導入される。次いで、この反応環境内の条件は、温度を上昇させることによって変更され、その結果、炭素前駆体からの炭素成分３は前駆体５から放出されて、一定時間の間に鉄製のリボン型板１へと拡散され、その結果、型板１は炭素で飽和することとなる。炭素（成分３）は気相において放出可能であり、次いで、例えばメタンの場合と同じように、鉄の堆積へと拡散または移動する。炭素はまた、例えばＣＯ前駆体５の場合と同じように、鉄製の型板１の表面における前駆体５の触媒分解に起因して直接に鉄製の型板１へと放出可能である。この鉄製の型板１は、炭素を継続的に導入することによって飽和させることができる。例えば、反応環境内の温度を低下させ、これがまた、鉄製の型板１の温度を低下させる等の、プロセスパラメータを変更することによって、炭素成分３による型板１の過飽和が達成される。いったん過飽和が生じると、炭素はその表面へと移動して、鉄製の型板１の幾何学的形状の境界を有する、完全または部分的なグラフェン層４において、自己組織化を開始し、これにより、グラフェン層４の幾何学的形状の境界を決定する。
【００５１】
実施例１によれば、ＦＣＳ構造４は、従来のスパッタリングおよびリフトオフ技術によって、シリコンまたはシリカ基板２上に、幅約１０ミクロン、長さ約１００ミクロン、および厚さ約１ミクロンの鉄製の型板１を準備して製造した。次いで、鉄製の型板１を約８００℃で保たれた管状の炉内に置き、この中へ、約分速０．１リットルのＣＯの流速で、約１ａｔｍの圧力にてＣＯを導入した。鉄製の型板１をその炉の温度にて、約１０分間、その反応環境（管状の炉）内で保持した。次いで、鉄製の型板１を、加熱された領域から徐々に引き出すことによって、または、反応器の加熱された領域を冷却することによって、ゆっくりと冷却し、その結果、型板１の温度は、基板２が約２５℃になるまで冷却されるまで、約１℃／秒の速度で低下した。冷却プロセスの間、型板１の形状に適合するＦＣＳ構造４が、型板−環境の界面において形成された。
【００５２】
また、実施例１によれば、ＦＣＳ構造４を、従来のスパッタリングおよびリフトオフ技術によって、シリコンまたはシリカ基板上に、幅約１０ミクロン、長さ約１００ミクロン、および厚さ約１ミクロンの鉄製の型板１を準備して製造した。次いで、鉄製の型板１を約８００℃で保たれた管状の炉内に置き、この中へ、約分速０．１リットルのメタンの流速で、約１ａｔｍの圧力にてメタンを導入した。鉄製の型板１をその炉の温度にて、約１００分間、その反応環境（管状の炉）内で保持した。次いで、鉄製の型板１を、加熱された領域から徐々に引き出すことによって、または、反応器の加熱された領域を冷却することによって、ゆっくりと冷却し、その結果、型板１の温度は、基板２が約２５℃になるまで冷却されるまで、約１℃／秒の速度で低下した。冷却プロセスの間、型板１の形状に適合するＦＣＳ構造４は、型板−環境の界面において形成された。
【００５３】
また、実施例１によれば、ＦＣＳ構造を、従来のシリカ成長およびリフトオフ技術によって、ニッケル基板２上に、幅約１０ミクロン、長さ約１００ミクロン、および厚さ約１ミクロンのシリカの型板１を準備して製造した。次いで、シリカの型板１を約６００℃で保たれた管状の炉内に置き、この中へ、約分速０．１リットルのガスの混合された流速で、約１ａｔｍの圧力にて、等量のアセチレンおよびＨ２を導入した。シリカの型板１をその炉の温度にて、約２０分間、その反応環境（管状の炉）内で保持した。次いで、シリカの型板１を、加熱された領域から徐々に引き出すことによって、または、反応器の加熱された領域を冷却することによって、ゆっくりと冷却し、その結果、型板１の温度は、基板２が約２５℃になるまで冷却されるまで、約１℃／秒の速度で低下した。冷却プロセスの間、型板１の形状に適合する多層ＦＣＳ構造４が、型板−環境の界面において形成された。
【００５４】
実施例２は、本発明の一実施形態に係る、セメンタイトの型板１から合成されたグラフェンナノリボンに関する。この実施例において、セメンタイトの型板１を、所望のパターン、例えば、リボンにおいて、鉄をスパッタリングすることによって、基板２上に準備し、鉄の堆積物をＣＯガスに曝露することによって鉄の堆積物をセメンタイトに変換する。次いで、セメンタイトの型板１を反応環境に置いた。次いで、反応環境の温度を上昇させることによって、その反応環境内の条件を変化させ、その結果、セメンタイト中の炭素を、型板の材料の分離を生じさせる化学反応によって、型板１から放出させた。次いで、炭素がセメンタイトの型板１の表面上に移動し、セメンタイトの型板１の幾何学的形状の境界を有する、完全または部分的なグラフェン層において、自己組織化を開始し、これにより、グラフェン層の幾何学的形状の境界を決定する。
【００５５】
実施例２によれば、ＦＣＳ構造４は、従来のスパッタリングおよびリフトオフ技術によって、シリコンまたはシリカ基板上に、幅約１０ミクロン、長さ約１００ミクロン、および厚さ約１ミクロンの鉄製の型板を準備して製造した。次いで、鉄製の型板１を反応チャンバ内のＣＯ環境において約６５０℃まで、約１０分間、加熱して、鉄製の型板１をセメンタイトに変換させた。次いでＣＯガスを、例えばアルゴンまたは窒素で洗い流し、あるいは反応環境から排出させた。ＣＯを洗い流した後、型板１を加熱し、約１分間、約７５０℃で維持し、セメンタイトを鉄および炭素に変換（分離）させた。この変換プロセスの間に、型板１の形状に適合するＦＣＳ構造４が、型板−環境の界面において形成された。
【００５６】
以下において、本明細書中で用いられた用語の一部の意味をさらに明確にする。
【００５７】
単分子層結晶表面（ＭＣＳ）構造は、概して互いに平行した１つ以上の層を有するグラフェン様の結晶のことを意味する。用語ＦＣＳ構造（数層が層化された結晶表面構造）は、シート、フィラメント、および／またはリボン、ならびに／または任意の他の概して二次元の結晶構造を含む、炭素、ホウ素、窒素、および／またはシリコンの二次元の結晶の複数の層（ここで、「数層」とは、好ましくは１〜１０個の層の間の数を意味する）を含むがそれらに限定されないことを意図している。
【００５８】
型板は、結晶表面構造を形成するために、その型板の内側の材料を、その材料が型板−環境の界面上において自己組織化するように、活性化するために利用可能である材料の層のことを意味する。型板の性質は、結晶表面構造のための合成の条件下で層としてそれ自体を維持し、かつ島または液滴を自発的には形成せず、そうでなければ、その形を著しく変化させないものである。型板として、液状または融解した層である場合、この層は十分に厚く、その効果的なぬれ角は、その型板の表面に対して長い曲率半径を維持するように表面張力が層を個々の液滴へと分離することを嫌うか、または促進させないように十分に小さいことを含意している。この型板は、一例として、鉄、ニッケル、コバルト等の遷移金属を含むことができる。他の材料、例えばセメンタイト等の遷移金属の例えば窒化物または炭化物もまた型板の可能な材料である。このような材料は、層が液滴へと分離してしまう前にそうした材料が、より高温に耐えることができる点において有利である。
【００５９】
長い曲率半径とは、型板−環境の界面に属する型板の表面の曲率半径が、約３０の結合の長さの結晶表面構造よりも、長いことを意味する。
【００６０】
型板−環境の界面とは、環境、例えば反応環境と接触している型板の表面を意味するものである。
【００６１】
環境とは、型板の表面と接触している、液体、気体、または真空の環境を意味するものである。
【００６２】
活性化とは、結晶表面構造を形成する材料（すなわち成分（または複数の成分）３）が、型板のバルクから放出されて、型板−環境の界面上の型板の表面上に移動することを意味する。こうした放出は、例えば、化学反応および／または過飽和によって得られることができる。
【００６３】
基板とは、特定用途に適切である任意の所望の基板を意味するものである。適切な基板の例は無数にある。型板のために基板として用いられる基板の条件は、その基板が、型板上の結晶表面構造の合成のために用いられる条件に耐える必要があることである。
【００６４】
当業者には明らかであるように、本発明は、上述の例に限定されるものではなく、本発明の実施形態は、特許請求の範囲の請求項の範囲内において自由に変化し得るものである。
【図１ａ】
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【図１ｂ】
0005956645.tif 000003
【図１ｃ】
0005956645.tif 000004
【図１ｄ】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図２ｃ】
0005956645.tif 000008
【図２ｄ】
0005956645.tif 000009
【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図３ｃ】
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【図３ｄ】
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【図４】
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【図５】
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