(57)【要約】  基板表面に付着した３Ｄグラフェン材料を形成する方法であって：基板表面に炭素源を設けることと；炭素源の少なくとも一部及び／又は基板の少なくとも一部をレーザービームに曝露し、それにより、炭素源の少なくとも一部を基板表面に付着した３Ｄグラフェン材料に転化させることと、を含む、方法。
2020531406.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板表面に付着した３Ｄグラフェン材料を形成する方法であって：炭素含有材料を含む炭素源を前記基板表面に設けることと；前記炭素源の少なくとも一部及び／又は前記基板の少なくとも一部をレーザービームに曝露し、それにより、前記炭素源の少なくとも一部を前記基板表面に付着した３Ｄグラフェン材料に転化させることと；を含む方法。
【請求項２】
前記炭素源は、炭素含有材料を含む予め形成されたシートであり、前記炭素源の少なくとも一部の、前記基板表面に付着した前記３Ｄグラフェン材料への転化は、前記予め形成されたシートから前記基板表面に炭素を転写することと、前記基板表面に付着した３Ｄグラフェン材料を形成することと、を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記３Ｄグラフェン材料に転化しなかった前記炭素源の１つ又は複数の未転化部分を前記基板表面から除去することを更に含む、請求項１又は請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記炭素源は１種又は複数種のポリマーを含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記基板は、前記レーザービームに対し実質的に透明である１種又は複数種の材料を含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記基板は、前記レーザービームの入射光を、前記レーザービームの１つ又は複数の波長において６０％超を吸収する、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記基板は、次に示すもの：シリコン、二酸化シリコン、窒化ガリウム、砒化ガリウム、酸化亜鉛の１種又は複数種を含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記基板は１種又は複数種のポリマーを含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記レーザービームはパルスレーザービームである、請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
形成され、前記基板に付着された前記３Ｄグラフェン材料に、１種又は複数種のドーパントを導入することを更に含む、請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
大気圧及び室温下に実施される、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
基板に付着した３Ｄグラフェン材料を含む系であって、前記３Ｄグラフェン材料は、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の方法により形成されたものである、系。
【請求項１３】
請求項１〜１１のいずれか一項に記載の方法の、１種又は複数種のデバイス部品の製造における使用。
【請求項１４】
請求項１３に記載の方法により製造され、及び／又は請求項１２に記載の系が組み込まれた、デバイス部品。
【請求項１５】
酸素を３％未満の原子百分率で含み、及び／又は窒素を３％未満の原子百分率で含む、３Ｄグラフェン材料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、３Ｄグラフェン材料、基板に付着させた３Ｄグラフェン材料を形成する方法、基板に付着させた３Ｄグラフェン材料を含む系、３Ｄグラフェン材料を含むデバイス部品、及び３Ｄグラフェン材料を含むデバイス部品の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
炭素は多くの異なる同素体を形成することが知られている。ダイヤモンド（面心立方格子に、ｓｐ３混成した四面体配置をとる炭素原子のモチーフが、単純単位胞当たり２個配置されている（ｄｅｃｏｒａｔｅｄ））又はグラファイト（ｓｐ２混成した炭素原子が六角形に配置された平面状シートを形成しており、隣接するシート間は弱いファンデルワールス力で結合している）等の同素体は古くから知られている。グラフェン、バックミンスターフラーレン、カーボンナノチューブ、カーボンナノリボン、ダイヤモンドライクカーボン、及びアモルファスカーボン等の他の炭素を基本とする構造（ｃａｒｂｏｎ−ｂａｓｅｄ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）はごく最近になって発見されたものである。
【０００３】
グラフェンは、特異な電気的、熱的、及び機械的特性を有することから、特に強い関心が寄せられるようになった。具体的なグラフェン材料の１種は２Ｄグラフェンとして知られているものである。これは、ｓｐ２結合した炭素原子が六角格子状に配置された１枚の二次元状シートであり、基本的に、グラファイトの独立した１枚の層である。２Ｄグラフェンはゼロギャップ半導体であり、抵抗率は約１０−６Ωｃｍであり、電子移動度は室温で１５０００ｃｍ２／Ｖｓを超える。２Ｄグラフェンは電子デバイス、特に、ナノスケール・エレクトロニクスに利用されている。しかしながら、２Ｄグラフェンの製造プロセスは、通常、グラファイトの剥離及び剥離されたグラフェンシートの基板上への転写、又は物理若しくは化学気相蒸着を含む複雑な堆積プロセスに成膜後の熱処理（ｐｏｓｔ−ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ  ａｎｎｅａｌｉｎｇ  ｔｒｅａｔｍｅｎｔ）を組み合わせるため、その規模を拡大することは非常に難題である。
【０００４】
他に注目されているグラフェン材料は、多孔質グラフェン又はレーザー誘起グラフェン（ＬＩＧ）としても知られる３Ｄグラフェンである。３Ｄグラフェンは、１つ又は複数の２Ｄグラフェンシートが相互に折り畳まれて（ｆｏｌｄｅｄ  ｂａｃｋ  ｏｎ  ｏｎｅ  ａｎｏｔｈｅｒ）、平面状シートではなく三次元構造を形成したものから構成される。３Ｄグラフェンの原子間結合は主としてｓｐ２混成軌道間で形成され、３Ｄグラフェンにおいて支配的な炭素原子の局所的な配位状態は２Ｄグラフェンのものと類似しているため、２Ｄ及び３Ｄグラフェンはその電気特性が類似している。したがって、３Ｄグラフェンは、電子デバイスに利用される材料として２Ｄグラフェンの代替となり得る有望な材料である。加えて、その折り畳み構造に起因して、３Ｄグラフェンは典型的には多孔質であり、比表面積が大きい。このことにより、３Ｄグラフェンは、コンデンサ（特に超コンデンサ）及び電池等のエネルギー貯蔵デバイスに使用するのに特に適したものとなっている。３Ｄグラフェンはまた、センサー部品又は高強度複合材料にも利用できる可能性がある。
【０００５】
しかしながら、現時点においては、基板上に３Ｄグラフェン構造を制御下に堆積させることが困難であることから、３Ｄグラフェンの実際の用途は限られている。３Ｄグラフェン構造体を堆積させるための既存の方法は、３Ｄグラフェン構造を高分子シートに形成させ、３Ｄグラフェン構造を高分子シートから取り出し、次いで基板上に３Ｄグラフェン構造を転写することを含む。このような方法は時間を要し、例えば、電子デバイス部品の製造において用いられるインライン加工には適していない。結果として得られる３Ｄグラフェン構造体を基板上に精密に配置する制御も難しいため、ナノスケール電子デバイスの製造には問題が伴う。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
したがって、インライン加工に適した、３Ｄグラフェン構造体を基板上に制御下に堆積させるための方法があれば有利であろう。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の態様は、基板表面に付着（即ち、直接的に）させた３Ｄグラフェン材料を形成する方法を提供する。この方法は：基板表面に、炭素含有材料を含む炭素源を設けることと；炭素源の少なくとも一部及び／又は基板の少なくとも一部をレーザービームに曝露し、それにより、炭素源の少なくとも一部を基板表面に付着（即ち、直接的に）した３Ｄグラフェン材料に転化させることと；を含む。炭素源の少なくとも一部を基板表面に付着した３Ｄグラフェン材料に転化させるステップは、典型的には、並行して（即ち、同時に）、炭素を炭素源から基板表面に転写することと、３Ｄグラフェン材料を形成することと、３Ｄグラフェン材料を基板表面に付着させることと、を含む。
【０００８】
炭素源は、典型的には、炭素含有材料を含むシート（即ち、予め形成されたもの）である。したがって、炭素源の少なくとも一部を基板表面に付着した３Ｄグラフェン材料に転化させるステップは、典型的には、並行して（即ち、同時に）、炭素をシート（即ち、予め形成されたもの）から基板表面に転写することと、３Ｄグラフェン材料を形成することと、３Ｄグラフェン材料を基板表面に付着させることと、を含む。
【０００９】
特に本発明者らは、炭素源（例えば、シート（即ち、予め形成されたもの））の少なくとも一部をレーザービームに曝露することにより、基板表面に設けられた炭素源（例えば、炭素含有材料を含むシート（即ち、予め形成されたもの））の少なくとも一部を３Ｄグラフェン材料に転化させることによって、形成された３Ｄグラフェン材料が、典型的には基板表面に転写されて直接付着することを見出した。形成された３Ｄグラフェン材料の少なくとも一部（例えば、大部分、例えば、全部）は、通常、任意の未転化の材料（即ち、３Ｄグラフェン材料に転化していない、炭素源（例えば、シート（即ち、予め形成されたもの）の一部を形成する材料））を基板表面から除去した後も基板表面に直接付着したままである。それにより、３Ｄグラフェン構造を基板表面に形成し、直接付着させることが可能になる。
【００１０】
レーザービームのパラメータ（レーザービームのビーム幅、レーザー光の波長、レーザー出力、並びにレーザービームを炭素源及び／又は基板上に入射させる位置等）は、通常、精密に制御することができるので、形成されて基板表面に付着した３Ｄグラフェン材料の位置及びパラメータ（例えば、厚み）を正確に制御することが可能である。したがって、基板表面に高速で３Ｄグラフェン構造を施すことに特に適しており、インライン加工に適合させることが可能な、驚くほど簡素な方法を用いて、基板表面の予め定められた位置に複雑且つ細密な３Ｄグラフェン構造を形成することが可能である。例えば、基板表面に堆積させて直接結合させた炭素含有材料の層ではなく、炭素含有材料のシート（即ち、予め形成されたもの）を使用することにより、この方法が簡素化且つ高速化され、例えば、減圧条件、プラズマ加工ステップ、又は複雑且つ費用の嵩む堆積装置が不要になる。極めて重大なことであるが、炭素源の未転化部分を、基板表面を損傷することなく、又は基板表面に付着する３Ｄグラフェン材料を過度に破壊することなく、容易に除去することも可能になる。
【００１１】
炭素源（例えば、炭素含有材料を含むシート（即ち、予め形成されたもの））を基板表面に設けるステップは、炭素源（例えば、炭素含有材料を含むシート（即ち、予め形成されたもの））及び基板表面を接触（例えば、直接的に）させることを含むことができる。炭素源（例えば、炭素含有材料を含むシート（即ち、予め形成されたもの））を基板表面に設けるステップは、炭素源（例えば、炭素含有材料を含むシート（即ち、予め形成されたもの））を、基板表面に（例えば、直接的に）配置することを含むことができる。これに加えて、又はこれに替えて、炭素源（例えば、炭素含有材料を含むシート（即ち、予め形成されたもの））を基板表面に設けるステップは、基板を炭素源（例えば、炭素含有材料を含むシート（即ち、予め形成されたもの））上に配置（例えば、直接的に）することを含むことができる。
【００１２】
この方法は、典型的には、化学的又は物理的成膜法、例えば、物理気相蒸着（ＰＶＤ）、化学気相蒸着（ＣＶＤ）、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）、スパッタリング、パルスレーザー堆積法、陰極アーク蒸着法、スピンコーティング、ディップコーティング、又はゾルゲル法を用いて炭素源を基板表面に堆積させることを含まない。本方法は、典型的には、基板表面に炭素源を設けるためにプラズマに曝露することを必要としない。この種の化学及び物理的成膜法は、通常、炭素源の炭素含有材料が結果として基板表面に直接付着する（例えば、永久的に結合する）ことになる。それとは対照的に、本発明において、基板表面に炭素源（例えば、炭素含有材料を含むシート（即ち、予め形成されたもの））を設けるステップは、典型的には、炭素含有材料を基板表面に直接付着させること及び／又は炭素含有材料を基板表面に永久的に結合させることを含まない。
【００１３】
炭素源（例えば、炭素含有材料を含むシート（即ち、予め形成されたもの））を基板表面に設けるステップは、炭素源（例えば、炭素含有材料を含むシート（即ち、予め形成されたもの））を可逆的に（例えば、一時的に）基板表面に接着剤を使用して付着させることを含むことができる。しかしながら、炭素源（例えば、炭素含有材料を含むシート（即ち、予め形成されたもの））は、レーザービームに曝露する前に何らかの形で基板表面に付着させなくてもよい。
【００１４】
本方法は、基板表面に付着した３Ｄグラフェン材料の層を形成する方法とすることができ、この方法は：炭素源（例えば、炭素含有材料を含むシート（即ち、予め形成されたもの））を基板表面上に設けることと；炭素源（例えば、炭素含有材料を含むシート（即ち、予め形成されたもの））の少なくとも一部及び／又は基板の少なくとも一部をレーザービームに曝露し、それにより、炭素源（例えば、炭素含有材料を含むシート（即ち、予め形成されたもの））の少なくとも一部を基板表面に付着した３Ｄグラフェン材料の層に転化させることと、を含む。
【００１５】
本方法は、基板表面に付着した３Ｄグラフェン材料のパターンを形成する（即ち、基板表面に、そこに付着した３Ｄグラフェン材料のパターンを形成する）方法とすることができ、この方法は：炭素源（例えば、炭素含有材料を含むシート（即ち、予め形成されたもの））を基板表面に設けることと；炭素源（例えば、炭素含有材料を含むシート（即ち、予め形成されたもの））の少なくとも一部及び／又は基板の少なくとも一部をレーザービームに曝露し、それにより、炭素源（例えば、炭素含有材料を含むシート（即ち、予め形成されたもの））の少なくとも一部を３Ｄグラフェン材料に転化させ、基板表面に付着した３Ｄグラフェン材料のパターンを形成する（即ち、基板表面に、そこに付着した３Ｄグラフェン材料のパターンを形成する）ことと、を含む。
【００１６】
炭素含有材料とは、炭素を含む材料であることが理解されよう。炭素含有材料（即ち、炭素を含む材料）は、元素状炭素、炭素を含む１種若しくは複数種の混合物、炭素の１種若しくは複数種の化合物、及び／又は１種若しくは複数種の分子（例えば、高分子）構造形態にある炭素、を含む（例えば、それらから構成される）ことができる。炭素含有材料は、通常、炭素を少なくとも５０質量％、より典型的には、炭素を少なくとも７５質量％、一層典型的には、炭素を少なくとも９０質量％含む。
【００１７】
炭素源は、典型的には、少なくとも１種の炭素を含む材料を含む。炭素含有材料を含むシート（即ち、予め形成されたもの）は、典型的には、少なくとも１種の炭素を含む材料を含むシート（即ち、予め形成されたもの）（即ち、少なくともある程度の炭素を含むシート（即ち、予め形成されたもの））である。炭素源（例えば、炭素含有材料を含むシート（即ち、予め形成されたもの））は、典型的には、基板表面に転写するため及び３Ｄグラフェン材料を形成するための炭素の供給源として作用する。
【００１８】
炭素源（例えば、炭素含有材料を含むシート（即ち、予め形成されたもの））は、典型的には、固体である。炭素源（例えば、炭素含有材料を含むシート（即ち、予め形成されたもの））は、典型的には、固形物である。炭素源（例えば、炭素含有材料を含むシート（即ち、予め形成されたもの））は、可撓性を有することができる。
【００１９】
炭素源（例えば、炭素含有材料を含むシート（即ち、予め形成されたもの））は、必ずしも組成又は構造が均一でなくてもよい。例えば、炭素源（例えば、炭素含有材料を含むシート（即ち、予め形成されたもの））は、材料が異なるか又は同一である１つ又は複数の領域を含む（例えば、それらから構成される）。この１つ又は複数の領域の少なくとも１つは、典型的には、炭素含有材料を含む（例えば、それらから形成されている）。炭素源（例えば、炭素含有材料を含むシート（即ち、予め形成されたもの））は、材料が同一であるか又は異なる１つ又は複数の層を含む（例えば、それらから構成される）。この層の少なくとも１つは、典型的には、炭素含有材料を含む（例えば、それから形成されている）。
【００２０】
炭素源（例えば、炭素含有材料を含むシート（即ち、予め形成されたもの））は、炭素を少なくとも５０質量％、より典型的には、炭素を少なくとも７５質量％、一層典型的には、炭素を少なくとも９０質量％含むことができる。
【００２１】
炭素源（例えば、炭素含有材料を含むシート（即ち、予め形成されたもの））は、１種又は複数種のポリマーを含む（例えば、それから形成されている）ことができる。炭素源（例えば、炭素含有材料を含むシート（即ち、予め形成されたもの））は、１種又は複数種の次に示す材料を含む（例えば、それから形成されている）ことができる：ポリイミド（例えば、Ｋａｐｔｏｎとしても知られるポリ（４，４’−オキシジフェニレンピロメリットイミド））、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリ（メタクリル酸メチル）（ＰＭＭＡ）（例えば、スプレーコーティングされたＰＭＭＡ）、ポリウレタン（ＰＵ）、ポリエステル、ビニルポリマー、炭化ポリマー、フォトレジストポリマー、アルキド樹脂、尿素−ホルムアルデヒド。
【００２２】
炭素源（例えば、炭素含有材料を含むシート（即ち、予め形成されたもの））は、１種又は複数種の次に示す材料を含む（例えば、それらから形成される）ことができる：ポリ（アミド酸）（例えば、アリール含有ポリ（アミド酸））（例えば、ポリアミド酸としても知られる、ポリ（ピロメリット酸二無水物−ｃｏ−４，４’−オキシジアニリン），アミド酸）；二無水物（例えば、アリール二無水物）（例えば、ピロメリット酸二無水物）；前記ポリ（アミド酸）の誘導体；前記二無水物の誘導体（例えば、ピロメリット酸二無水物の誘導体）。
【００２３】
当業者らは、炭素源として使用される材料が、それ自体がグラフェンに転化する場合もあるし、或いはグラフェンが形成される前に中間体又はプレポリマー又は他のポリマーに転化する場合もあることを理解するであろう。
【００２４】
炭素源は１種又は複数種の次に示す材料を含むことができる：芳香族材料（例えば、芳香族ポリマー）；複素芳香族材料（例えば、複素芳香族ポリマー）；芳香族部分を含むポリマー；環状材料（例えば、環状部分を含むポリマー）；複素環式材料（例えば、複素環式部分を含むポリマー）；複素芳香族材料（例えば、複素芳香族部分を含むポリマー）。レーザービームに曝露してグラフェンを形成させるのに有用であることが見出されている幾つかの材料として、１つ又は複数の芳香族結合、複素芳香族結合、及びヘテロ結合（例えば、イミド結合）を含む材料が挙げられる。
【００２５】
炭素源は、天然若しくは再生可能な材料、又は食品若しくは他の産業の副産物を含むことができる。炭素源は、コーヒー製品、コーヒー糟、コーヒー豆の渋皮、又はリグニンのうちの１種又は複数種を含むことができる。
【００２６】
炭素源（例えば、炭素含有材料を含むシート（即ち、予め形成されたもの））は、レーザービームに曝露することにより３Ｄグラフェン材料を形成することができる１種又は複数種の炭素含有材料を含む（例えば、それらから形成される）ことができる。炭素源（例えば、炭素含有材料を含むシート（即ち、予め形成されたもの））は、５００℃超の温度、より典型的には８００℃超の温度、又は５００℃〜２０００℃の間の温度、より典型的には８００℃〜１０３０℃の温度に加熱することにより３Ｄグラフェン材料を形成することができる１種又は複数種の炭素含有材料を含む（例えば、それらから形成される）ことができる。炭素源（例えば、炭素含有材料を含むシート（即ち、予め形成されたもの））は、５００℃超の温度、より典型的には８００℃超の温度、又は５００℃〜２０００℃の間の温度、より典型的には８００℃〜１０３０℃の間の温度で１ｎｓ〜１０μｓの間（即ち、約５×１０７℃／ｓ〜２×１０１２℃／ｓの間の速度で）加熱することにより３Ｄグラフェン材料を形成することができる１種又は複数種の炭素含有材料を含む（例えば、それらから形成される）ことができる。
【００２７】
炭素源（例えば、炭素含有材料を含むシート（即ち、予め形成されたもの））は、レーザービームに曝露することにより３Ｄグラフェン材料を形成することができる１種又は複数種のポリマーを含む（例えば、それらから形成される）ことができる。炭素源（例えば、炭素含有材料を含むシート（即ち、予め形成されたもの））は、５００℃超の温度、より典型的には８００℃超の温度、又は５００℃〜２０００℃の間の温度、より典型的には８００℃〜１０３０℃の間の温度に加熱することにより３Ｄグラフェン材料を形成することができる１種又は複数種のポリマーを含む（例えば、それらから形成される）ことができる。炭素源（例えば、炭素含有材料を含むシート（即ち、予め形成されたもの））は、５００℃超の温度、より典型的には８００℃超の温度、又は５００℃〜２０００℃の間の温度、より典型的には８００℃〜１０３０℃の間の温度に１ｎｓ〜１０μｓの間（即ち、約５×１０７℃／ｓ〜２×１０１２℃／ｓの間の速度で）加熱することにより３Ｄグラフェン材料を形成することができる１種又は複数種のポリマーを含む（例えば、それらから形成される）ことができる。
【００２８】
炭素源（例えば、炭素含有材料を含むシート（即ち、予め形成されたもの））は、１種又は複数種の芳香族ポリマーを含む（例えば、それらから形成される）ことができる。炭素源（例えば、炭素含有材料を含むシート（即ち、予め形成されたもの））は、１種又は複数種の複素芳香族ポリマーを含む（例えば、それらから形成される）ことができる。炭素源（例えば、炭素含有材料を含むシート（即ち、予め形成されたもの））は、芳香族部分を含む１種又は複数種のポリマーを含む（例えば、それらから形成される）ことができる。炭素源（例えば、炭素含有材料を含むシート（即ち、予め形成されたもの））は、環状部分を含む１種又は複数種のポリマーを含む（例えば、それらから形成される）ことができる。炭素源（例えば、炭素含有材料を含むシート（即ち、予め形成されたもの））は、複素環式部分を含む１種又は複数種のポリマーを含む（例えば、それらから形成される）ことができる。炭素源（例えば、炭素含有材料を含むシート（即ち、予め形成されたもの））は、複素芳香族部分を含む１種又は複数種のポリマーを含む（例えば、それらから形成される）ことができる。
【００２９】
炭素源（例えば、炭素含有材料を含むシート（即ち、予め形成されたもの））は、実質的に平面状とすることができる。炭素源（例えば、炭素含有材料を含むシート（即ち、予め形成されたもの））は、フィルム（例えば、薄肉の）とすることができる。炭素源（例えば、炭素含有材料を含むシート（即ち、予め形成されたもの））の厚みは５μｍ超とすることができる。炭素源（例えば、炭素含有材料を含むシート（即ち、予め形成されたもの））の厚みは１２０μｍ未満とすることができる。炭素源（例えば、炭素含有材料を含むシート（即ち、予め形成されたもの））の厚みは５μｍ〜１２０μｍの間とすることができる。炭素源（例えば、炭素含有材料を含むシート（即ち、予め形成されたもの））の厚みは、基板表面（即ち、炭素源（例えば、炭素含有材料を含むシート（即ち、予め形成されたもの））をその上に設けた場合）全体に亘り実質的に均一とすることができる。炭素源（例えば、炭素含有材料を含むシート（即ち、予め形成されたもの））の厚みは、その上に炭素源（例えば、炭素含有材料を含むシート（即ち、予め形成されたもの））が設けられた基板表面（例えば、その局所部分）に実質的に垂直な方向に測定されることが理解されよう。
【００３０】
本方法は、基板表面の１つ又は複数の部分の上に炭素源（例えば、炭素含有材料を含むシート（即ち、予め形成されたもの））を設けることを含むことができる。本方法は、炭素源（例えば、炭素含有材料を含むシート（即ち、予め形成されたもの））を基板表面全体（例えば、端から端まで（ａｃｒｏｓｓ））に設けることを含むことができる。３Ｄグラフェン材料は、典型的には、その上に炭素源（例えば、炭素含有材料を含むシート（即ち、予め形成されたもの））が設けられた（即ち、レーザービームに曝露する直前の）基板表面の一部分の上に形成されて、付着する。
【００３１】
炭素源（例えば、炭素含有材料を含むシート（即ち、予め形成されたもの））は、第１表面及び第２表面を有するポリイミドテープ（例えば、Ｋａｐｔｏｎテープ）とすることができる。ポリイミドテープの第１表面には接着剤（例えば、シリコーン接着剤）を設けることができる。炭素源（例えば、炭素含有材料を含むシート（即ち、予め形成されたもの））を基板表面に設けるステップは、ポリイミドテープの第１表面を基板表面に接着剤を用いて付着（例えば、可逆的に付着させるか又は一時的に付着させる）させることを含むことができる。
【００３２】
炭素源（例えば、炭素含有材料を含むシート（即ち、予め形成されたもの））の少なくとも一部及び／又は基板の少なくとも一部のレーザービームへの曝露は、典型的には、炭素源（例えば、炭素含有材料を含むシート（即ち、予め形成されたもの））の少なくとも一部及び／又は基板の少なくとも一部をレーザービームを用いて加熱することを含む。炭素源（例えば、炭素含有材料を含むシート（即ち、予め形成されたもの））の少なくとも一部及び／又は基板の少なくとも一部のレーザービームへの曝露は、典型的には、炭素源（例えば、炭素含有材料を含むシート（即ち、予め形成されたもの））の少なくとも一部及び／又は基板の少なくとも一部を、典型的には、３Ｄグラフェン材料に転化させるために必要な、５００℃超の温度、より典型的には８００℃超の温度、又は５００℃〜２０００℃の間の温度、より典型的には８００℃〜１０３０℃の間の温度に加熱することを含む。
【００３３】
炭素源（例えば、炭素含有材料を含むシート（即ち、予め形成されたもの））の少なくとも一部のレーザービームへの曝露は、典型的には、炭素源（例えば、炭素含有材料を含むシート（即ち、予め形成されたもの））の前記少なくとも一部にレーザービームを向けることを含む。炭素源（例えば、炭素含有材料を含むシート（即ち、予め形成されたもの））の少なくとも一部のレーザービームへの曝露は、炭素源（例えば、炭素含有材料を含むシート（即ち、予め形成されたもの））の表面の少なくとも一部にレーザービームを向けることを含むことができる。レーザービームを向けることができる炭素源（例えば、炭素含有材料を含むシート（即ち、予め形成されたもの））の表面は、典型的には、炭素源（例えば、炭素含有材料を含むシート（即ち、予め形成されたもの））が設けられている基板表面から見て外側（即ち、接していない）の炭素源（例えば、炭素含有材料を含むシート（即ち、予め形成されたもの））の表面である。レーザービームは、炭素源（例えば、炭素含有材料を含むシート（即ち、予め形成されたもの））（例えば、その表面の少なくとも一部）に対し約９０°で向けることができる。即ち、レーザービームの炭素源（例えば、炭素含有材料を含むシート（即ち、予め形成されたもの））（例えば、その表面の少なくとも一部）への入射角を約９０°とすることができる。
【００３４】
基板の少なくとも一部のレーザービームへの曝露は、典型的には、前記基板の少なくとも一部にレーザービームを向けることを含む。基板は対向する第１及び第２表面を含むことができ、炭素源（例えば、炭素含有材料を含むシート（即ち、予め形成されたもの））は、基板の第１表面に設けられ（即ち、基板の第２表面が炭素源から見て反対側となるように）、基板の少なくとも一部のレーザービームへの曝露は、基板の第２表面の少なくとも一部にレーザービームを向けることを含む。レーザービームは、基板（例えば、その第２表面の少なくとも一部）に対し約９０°で向けることができる。即ち、レーザービームの基板（例えば、その第２表面の少なくとも一部）上への入射角を約９０°とすることができる。
【００３５】
基板は電気絶縁体（例えば、１種又は複数種の電気絶縁材料）を含む（例えば、それから形成される）ことができる。基板は半導電体（例えば、１種又は複数種の半導電性材料）を含む（例えば、それから形成される）ことができる。基板は、導電体（例えば、１種又は複数種の導電性材料（例えば１種又は複数種の金属、金属合金、又は導電性ポリマー））を含む（例えば、それから形成される）ことができる。
【００３６】
レーザービームは、実質的にコヒーレントなレーザー光のビームであることが理解されよう。レーザービームは、紫外レーザービームとすることができる。レーザービームは可視レーザービームとすることができる。レーザービームは赤外レーザービームとすることができる。レーザービームは、典型的には、２３５ｎｍ〜２７μｍの範囲の波長を有する（即ち、レーザービームはこの波長を有する光から形成されている）。レーザービームの波長は約１０．６μｍとすることができる（即ち、レーザービームはこの波長を有する光から形成されている）。レーザービームは、二酸化炭素（ＣＯ２）レーザーにより発生するものとすることができる。レーザービームは実質的に単色とすることができる。
【００３７】
基板はレーザービームに対し実質的に透明（即ち、光学的に透明）とすることができる、即ち、基板はレーザービームの波長において実質的に透明（即ち、光学的に透明）とすることができる。例えば、基板は、レーザービームからの入射光のレーザービームの波長を２０％未満反射することができる（即ち、基板の反射率は２０％未満とすることができる）。
【００３８】
基板はレーザービームに対し実質的に透明（即ち、光学的に透明）ではないものとすることができる、即ち、基板はレーザービームの波長において実質的に透明（即ち、光学的に透明）ではないものとすることができる。基板は、レーザービームに対し実質的に不透明（即ち、光学的に不透明）とすることができる。即ち、基板は、レーザービームの波長において実質的に不透明（即ち、光学的に不透明）とすることができる。例えば、基板はレーザービームからの入射光を、レーザービームの波長において６０％超を吸収することができる（即ち、基板は６０％超の吸収率を有することができる）。基板がレーザービームに対し実質的に透明ではない実施形態又は基板がレーザービームに対し実質的に不透明な実施形態において、基板の熱コンダクタンスは、典型的には、高い。例えば、基板は、典型的には、熱伝導率が少なくとも１０Ｗ／ｍＫである１種又は複数種の材料を含む（例えば、それから形成される）。
【００３９】
基板は、レーザービームに対し実質的に透明な（即ち、光学的に透明な）１種又は複数種の材料を含む（例えば、それから形成される）ことができる。即ち、１種又は複数種の材料は、レーザービームの波長において実質的に透明（即ち、光学的に透明）である。
【００４０】
基板は、次に示すものの１種又は複数種を含む（例えば、それから形成される）ことができる：シリコン（Ｓｉ）、二酸化シリコン（ＳｉＯ２）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、砒化ガリウム（ＧａＡｓ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）。
【００４１】
基板はシリコンウェハとすることができる。基板は二酸化シリコンウェハとすることができる（酸化シリコンウェハと称されることもある）。基板はシリコン及び二酸化シリコンの両方を含むウェハとすることができる。
【００４２】
基板は、レーザービームに対し実質的に透明であるか、又は基板はレーザービームからの入射光の大部分を吸収する（即ち、それによって基板を加熱する）ことができ、高い熱コンダクタンスを有する（即ち、基板は、熱伝導率が少なくとも１０Ｗ／ｍＫである１種又は複数種の材料を含む（例えば、それから形成される））ことができ、本方法は、基板の少なくとも一部をレーザービームに曝露することによって、炭素源（例えば、炭素含有材料を含むシート（即ち、予め形成されたもの））の少なくとも一部を、基板表面に付着した３Ｄグラフェン材料に転化させることを含むことができる。理論に束縛されることを望むものではないが、本発明者らは、基板がレーザービームに対し実質的に透明である実施形態において、光は、典型的には、基板から基板及び炭素源（例えば、炭素含有材料を含むシート（即ち、予め形成されたもの））の界面まで伝播し、ここで光は吸収され、炭素源（例えば、炭素含有材料を含むシート（即ち、予め形成されたもの））を局所的に加熱すると考えている。同じく理論に束縛されることを望むものではないが、本発明者らは、基板がレーザービームからの入射光の大部分を吸収し（それによって基板を加熱し）、基板が高い熱コンダクタンスを有し（即ち、基板が、熱伝導率が少なくとも１０Ｗ／ｍＫである１種又は複数種の材料を含む（例えば、それから形成される））実施形態において、熱は、典型的には、基板から基板及び炭素源（例えば、炭素含有材料を含むシート（即ち、予め形成されたもの））の界面まで伝導され、それによって炭素源（例えば、炭素含有材料を含むシート（即ち、予め形成されたもの））を局所的に加熱すると考えている。
【００４３】
好ましくは、炭素源（例えば、炭素含有材料を含むシート（即ち、予め形成されたもの））は、３Ｄグラフェン材料への転化が起こるように、５００℃超の温度、より典型的には８００℃超の温度まで急速に加熱される。炭素源（例えば、炭素含有材料を含むシート（即ち、予め形成されたもの））は、３Ｄグラフェン材料への転化が起こるように、５００℃〜２０００℃の間、より典型的には８００℃〜１０３０℃の間の温度に急速に加熱することができる。
【００４４】
本発明者らは、炭素含有材料を３Ｄグラフェン材料に転化させるために、炭素含有材料を、典型的には、室温（例えば、２０℃前後の温度）から５００℃超の温度、より典型的には、８００℃超の温度、又は５００℃〜２０００℃の間の温度、より典型的には、８００℃〜１０３０℃の間の温度まで、１ｎｓ〜１０μｓの間に（即ち、約５×１０７℃／ｓ〜２×１０１２℃／ｓの間の速度で）加熱すべきであることを見出した。炭素含有材料を過度にゆっくりと加熱すると（例えば、基板が過度に多量の光を反射する、及び／又は熱コンダクタンスが低い（即ち、基板が、熱伝導率が過度に低い１種又は複数種の材料を含む（例えば、それから形成される））ことに起因して）、替わりに炭素含有材料が非晶質炭素等の他の材料に転化する可能性がある。
【００４５】
基板は１種又は複数種のポリマーを含む（例えば、それから形成される）ことができる。基板は１種又は複数種の熱可塑性ポリマーを含む（例えば、それから形成される）ことができる。基板は１種又は複数種の次に示す材料を含む（例えば、それから形成される）ことができる：ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、環状オレフィンコポリマー（ＣＯＣ）、ポリ（メタクリル酸メチル）（ＰＭＭＡ）、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、熱可塑性エラストマー（ＴＰＥ）、ポリオレフィンブレンド（ＴＰＥ−ｏ）、エラストマーアロイ（ＴＰＥ−ｖ）、熱可塑性ポリウレタン（ＴＰＵ）、熱可塑性コポリエステル、熱可塑性ポリアミド（ＣＯＰ）、ポリ（乳酸−ｃｏ−グリコール酸）（ＰＧＬＡ）、ポリ乳酸（ＰＬＡ）、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ゴム。
【００４６】
基板は可撓性基板とすることができる。
【００４７】
本方法は、炭素源（例えば、炭素含有材料を含むシート（即ち、予め形成されたもの））の少なくとも一部をレーザービームに曝露し、それにより、炭素源（例えば、炭素含有材料を含むシート（即ち、予め形成されたもの））の少なくとも一部を３Ｄグラフェン材料に転化させることを含むことができる。特に、基板が１種又は複数種のポリマーを含む（例えば、それから形成される）実施形態において、又は基板が可撓性基板である実施形態において、本方法は、典型的には、炭素源（例えば、炭素含有材料を含むシート（即ち、予め形成されたもの））の少なくとも一部をレーザービームに曝露し、それにより、炭素源（例えば、炭素含有材料を含むシート（即ち、予め形成されたもの））の少なくとも一部を３Ｄグラフェン材料に転化させることを含む。
【００４８】
基板は実質的に平面状とすることができる。炭素源（例えば、炭素含有材料を含むシート（即ち、予め形成されたもの））が設けられる基板表面は、実質的に平坦とすることができる。基板は薄肉のフィルムとすることができる。基板の厚みは１００μｍ超とすることができる。基板の厚みは７００μｍ未満とすることができる。
【００４９】
本方法が基板の少なくとも一部をレーザービームに曝露することを含む実施形態において、より厚肉の基板上に堆積させるためには、典型的には、より出力の高いレーザービームが必要となる。しかしながら、本方法が炭素源（例えば、炭素含有材料を含むシート（即ち、予め形成されたもの））の少なくとも一部をレーザービームに曝露することを含む実施形態は、典型的には、あらゆる厚みの基板上に３Ｄグラフェン材料を形成して付着させるために用いることができる。
【００５０】
基板の厚みは、その上に炭素源（例えば、炭素含有材料を含むシート（即ち、予め形成されたもの））が設けられる基板表面と平行な面に対し実質的に均一とすることができる。基板の厚みは、その上に炭素源（例えば、炭素含有材料を含むシート（即ち、予め形成されたもの））が設けられる基板表面（即ち、基板の第１表面）に対し実質的に垂直な方向に測定されることが理解されよう。
【００５１】
基板及び炭素源（例えば、炭素含有材料を含むシート（即ち、予め形成されたもの））は、典型的には、１種又は複数種の異なる材料から形成されている、即ち、基板及び炭素源（例えば、炭素含有材料を含むシート（即ち、予め形成されたもの））は、典型的には、同一構造及び／又は同一組成を有しない。
【００５２】
基板は、グラフェン親和性を有する基板でなくてもよい。その上に３Ｄグラフェンが形成される基板表面は、グラフェン親和性を有する基板でなくてもよい。典型的には、炭素源（例えば、炭素含有材料を含むシート（即ち、予め形成されたもの））を基板表面上に設ける前に、基板表面にグラフェン親和性を有する層を設ける（例えば、堆積させる）ことは必要ではない。グラフェン親和性を有する基板、表面、又は層とは、炭素源（例えば、炭素含有材料を含むシート（即ち、予め形成されたもの））がレーザービームに曝露された際に、その上にグラフェン材料（例えば、２Ｄグラフェン及び／又は３Ｄグラフェン材料）を形成することを促進する特定の物理的及び／又は化学的性質を有する基板、表面、又は層であることが理解されよう。本方法は、典型的には、３Ｄグラフェン材料の形成を促進するための触媒の使用を必要としない。
【００５３】
３Ｄグラフェン材料は、少なくとも数種類の３Ｄグラフェンを含む材料であることが理解されよう。３Ｄグラフェン材料は、主として３Ｄグラフェンを含むものとすることができる。３Ｄグラフェン材料は３Ｄグラフェンとすることができる。「３Ｄグラフェン」（それ以外では「多孔質グラフェン」又は「レーザー誘起グラフェン」としても知られる）という語は、互いの上に折り重なるように畳まれて、平面状シートではなく三次元構造を形成している１つ又は複数の２Ｄグラフェンシートから構成されるグラフェン材料の形態を指すことも理解されよう。３Ｄグラフェンには、グラファイト又は多層２Ｄグラフェンに見られる平面状グラフェンシートの規則的なＡＢ積層が見られない。３Ｄグラフェン材料は、典型的には多孔質である。３Ｄグラフェンを形成する個々の折り畳まれたカーボンシートは、格子欠陥及び／又は曲がった炭素−炭素結合を含み得る。個々の折り畳まれたカーボンシートの炭素原子は、六角格子状に配置され得る（即ち、大部分が六角格子状に配置されている）。炭素原子はまた、五角形−七角形の対を形成するように配置され得る。３Ｄグラフェンの原子間結合は、典型的には、大部分が炭素のｓｐ２混成軌道間に形成されている。
【００５４】
３Ｄグラフェン材料は、修飾された３Ｄグラフェンを含むことができる（例えば、修飾された３Ｄグラフェンである）。３Ｄグラフェン材料は、１種又は複数種のドーパントを含むことができる。即ち、３Ｄグラフェン材料は、ドーパントを持つ３Ｄグラフェンを含むことができる（例えば、ドーパントを持つ３Ｄグラフェンである）。３Ｄグラフェン材料は１種又は複数種のナノ粒子（例えば、金属ナノ粒子）を含むことができる。
【００５５】
３Ｄグラフェン材料は、炭素を原子百分率で少なくとも９６％含むことができる。
【００５６】
３Ｄグラフェン材料は酸素を原子百分率で３％未満含むことができる。３Ｄグラフェン材料は酸素を原子百分率で１．２％未満含むことができる。本方法が真空条件下に実施される場合、形成される３Ｄグラフェン材料は酸素を原子百分率で０．５％未満含むことができる。
【００５７】
３Ｄグラフェン材料は窒素を原子百分率で３％未満含むことができる。３Ｄグラフェン材料は窒素を原子百分率で１．２％未満含むことができる。本方法が真空条件下に実施される場合、形成される３Ｄグラフェン材料は窒素を原子百分率で０．５％未満含むことができる。
【００５８】
レーザービームのビーム幅（例えば、ＦＷＨＭ（半値全幅）ビーム幅）は１μｍ〜１００μｍの間とすることができる。レーザービームのビーム幅（例えば、ＦＷＨＭビーム幅）は約５０μｍとすることができる。レーザービームの断面（即ち、ビームの軸に対し垂直方向に）は実質的に円形とすることができる。
【００５９】
レーザービームの出力は０．０５Ｗ〜１２０Ｗの間とすることができる。レーザービームの出力は１．２Ｗ〜２４Ｗの間とすることができる。レーザービームの出力は１０Ｗ〜１８Ｗの間（例えば、約１４Ｗ）とすることができ、本方法は、基板の少なくとも一部をレーザービームに曝露すること含むことができる。レーザービームの出力は２Ｗ〜１０Ｗの間とすることができ、本方法は、炭素源（例えば、炭素含有材料を含むシート（即ち、予め形成されたもの））の少なくとも一部をレーザービームに曝露することを含むことができる。
【００６０】
本方法は、レーザービームで炭素源（例えば、炭素含有材料を含むシート（即ち、予め形成されたもの））及び／又は基板全体を走査することを含むことができる。本方法は、レーザービームで炭素源（例えば、炭素含有材料を含むシート（即ち、予め形成されたもの））及び／又は基板全体を１．７ｍｍ／ｓ〜３５５０ｍ／ｓの間の走査速度で、より典型的には、３５ｍｍ／ｓ〜３５０ｍｍ／ｓの間の走査速度で走査することを含むことができる。
【００６１】
レーザービームはパルスレーザービームとすることができる。別法として、レーザービームは連続波レーザービームとすることができる。
【００６２】
レーザービームは、１ＧＨｚ未満（即ち、１ｎｓ超の間隔）の周波数（即ち、パルス繰り返し数（ＰＲＰ））でパルス発振させることができる。レーザービームは、８０ａｓ〜１ｍｓの間、より典型的には１μｓ〜５０μｓの間のパルス幅でパルス発振させることができる。レーザービームは約１４μｓのパルス幅でパルス発振させることができる。
【００６３】
本方法は、レーザービームで炭素源（例えば、炭素含有材料を含むシート（即ち、予め形成されたもの））及び／又は基板全体を、インチ当たりのパルス数（ＰＰＩ）が１００〜１００００となるように走査することを含むことができる。
【００６４】
本方法は大気圧下に実施することができる。本方法は、典型的には、加圧又は減圧条件を必要としない。
【００６５】
本方法は室温で実施することができる。しかしながら、炭素源（例えば、炭素含有材料を含むシート（即ち、予め形成されたもの））及び／又は基板の温度は、典型的には、炭素源（例えば、炭素含有材料を含むシート（即ち、予め形成されたもの））の少なくとも一部及び／又は基板の少なくとも一部をレーザービームに曝露するステップの最中に変動することが理解されよう。実際、本発明者らは、３Ｄグラフェン材料に転化させるためには、炭素源（例えば、炭素含有材料を含むシート（即ち、予め形成されたもの））は局所的に５００℃〜２０００℃の間、より典型的には８００℃〜１０３０℃の間に到達させることが必要であることを見出した。それにも関わらず、本方法は、典型的には、基板及び／又は炭素源（例えば、炭素含有材料を含むシート（即ち、予め形成されたもの））をレーザービームへの曝露以外で加熱することを必要としない。
【００６６】
本方法は、３Ｄグラフェン材料に転化しなかった炭素源（例えば、炭素含有材料を含むシート（即ち、予め形成されたもの））の１つ又は複数の部分（即ち、炭素源の未転化部分）を基板表面から除去することを含むことができる。未転化部分は、典型的には、前記炭素源（例えば、炭素含有材料を含むシート（即ち、予め形成されたもの））のレーザービームに曝露（即ち、直接的に）されなかった部分（即ち、レーザービームが向けられなかった部分、又はレーザービームに曝露（即ち、直接的に）された基板の部分に直接接していなかった炭素源（例えば、炭素含有材料を含むシート（即ち、予め形成されたもの）の部分））である。３Ｄグラフェン材料は、典型的には、未転化部分が除去される際も基板表面に付着したままである。
【００６７】
本方法は、１種又は複数種のドーパントを基板上に形成された３Ｄグラフェン材料に導入し、それによりドーパントを有する３Ｄグラフェン材料を形成することを含むことができる。１種又は複数種のドーパントはホウ素及び／又は窒素を含むことができる。１種又は複数種のドーパントは、３Ｄグラフェン材料に、イオン注入（プラズマイオン注入等）、プラズマドーピング、及び／又はプラズマ活性化法（ｐｌａｓｍａ  ａｃｔｉｖａｔｉｏｎ  ｍｅｔｈｏｄ）を用いて導入することができる。
【００６８】
レーザービームに曝露する前に炭素源及び基板の中間に流体（例えば、高粘度流体）を提供することができる。
【００６９】
流体は、任意選択で、１〜２５０，０００ｃＰｓの間、又は１０〜１００，０００ｃＰｓの間、又は５０〜１０，０００ｃＰｓの間、又は５０〜１，０００ｃＰｓの間、又は１００〜７５０ｃＰｓの間、又は２００〜６００ｃＰｓの間、又は３００〜５００ｃＰｓの間、又は３７０〜４３０ｃＰｓの間の粘度を有する液体とすることができる。この粘度は、任意選択で、標準的な教科書的な方法（ｓｔａｎｄａｒｄ  ｔｅｘｔ  ｍｅｔｈｏｄ）であるＡＳＴＭ  Ｄ７９４５−１６を用いて２５℃で測定したものとすることができる。
【００７０】
流体（例えば、高粘度のもの）は、界面活性剤、例えば、ポリソルベート、例えば、ポリソルベート２０、ポリソルベート８０、Ｔｗｅｅｎ  ２０、Ｔｗｅｅｎ  ８０、又はドデシル硫酸ナトリウム、ラウリルジメチルアミンオキシド、ポリエトキシル化アルコール、ポリオキシエチレンソルビタン、オクトキシノール（Ｔｒｉｔｏｎ  Ｘ１００ＴＭ）、又はポリオキシル１０ラウリルエーテルとすることができる。
【００７１】
理論に束縛されることを望むものではないが、炭素源及び基板の中間に流体（例えば、高粘度流体）が存在することにより、結晶粒（ｇｒａｉｎ）がより大きな集合体及び／又はより厚肉の層へと融合することが促進され、グラフェンの形成及び基板への付着を向上させることができる。それにより、グラフェン片が炭素源（例えば、ポリイミド）の表面から剥離することを防ぐことができる。
【００７２】
基板は、１種又は複数種の金属を含む（例えば、それから形成される）ことができる。その場合、炭化金属を界面に形成させることができ、接着層として作用させることができる。例えば、金属は、アルミニウム、銅、若しくは金、若しくは他の金属であるか、又はこれらを含むことができる。基板は、前記金属の酸化物、窒化物、又は砒化物を含む（例えば、それから形成される）ことができる。
【００７３】
本発明の第２の態様は、１種又は複数種のデバイス部品の製造における本発明の第１の態様の方法の使用を提供する。１種又は複数種のデバイス部品は、１種又は複数種の電子デバイス部品（即ち、電子デバイスに使用するための部品）とすることができる。１種又は複数種のデバイス部品は、１種又は複数種の集積回路部品とすることができる。例えば、１種又は複数種のデバイス部品は、１種又は複数種のトランジスタ、電極、又はコンデンサとすることができる。１種又は複数種のデバイス部品は、１種又は複数種のセンサー部品（即ち、センサーに使用するための部品）とすることができる。１種又は複数種のデバイス部品は、１種又は複数種の圧電素子部品とすることができる。１種又は複数種のデバイス部品は、１種又は複数種のエネルギー貯蔵部品とすることができる。例えば、１種又は複数種のデバイス部品は、１種又は複数種の電池部品（例えば、電池）、燃料電池部品（例えば、燃料電池）、バイオ燃料電池部品（例えば、バイオ燃料電池）、コンデンサ、又は超コンデンサとすることができる。
【００７４】
本発明の第３の態様は、基板に付着した３Ｄグラフェン材料を含む系を提供し、３Ｄグラフェン材料は本発明の第１の態様による方法により形成されたものである。
【００７５】
本発明の第４の態様は、本発明の第２の態様による方法により製造され、及び／又は本発明の第３の態様による系を組み込んだ、デバイス部品（例えば、電子デバイス部品、集積回路部品、センサー部品、圧電素子部品、及び／又はエネルギー貯蔵部品）を提供する。
【００７６】
本発明の第５の態様は、酸素を３％未満の原子百分率で含む３Ｄグラフェン材料を提供する。３Ｄグラフェン材料は、酸素を１．５％未満の原子百分率で含むことができる。３Ｄグラフェン材料は、酸素を１．２％未満の原子百分率で含むことができる。３Ｄグラフェン材料は基板の上に設けられる（例えば、そこに付着される）ことができる。
【００７７】
本発明の第６の態様は、窒素を原子百分率で３％未満含む３Ｄグラフェン材料を提供する。３Ｄグラフェン材料は、窒素を原子百分率で２．８％未満含むことができる。３Ｄグラフェン材料は、窒素を原子百分率で１．５％未満含むことができる。３Ｄグラフェン材料は基板上に設けられる（例えば、そこに付着される）ことができる。
【００７８】
本発明の第７の態様は、基板表面に付着（即ち、直接的に）したグラフェン材料の形成方法を提供する。この方法は：炭素含有材料を含む炭素源を基板表面に設けることと；炭素源の少なくとも一部及び／又は基板の少なくとも一部をレーザービームに曝露し、それにより、炭素源の少なくとも一部を基板表面に付着（即ち、直接的に）したグラフェン材料に転化させることと；を含む。炭素源の少なくとも一部を基板表面に付着したグラフェン材料に転化させるステップは、典型的には、並行して（即ち、同時に）、炭素を炭素源から基板表面に転写することと、グラフェン材料を形成することと、グラフェン材料を基板表面に付着させることと、を含む。炭素源は、典型的には、炭素含有材料を含むシート（即ち、予め形成されたもの）である。したがって、炭素源の少なくとも一部を基板表面に付着したグラフェン材料に転化させるステップは、典型的には、並行して（即ち、同時に）、炭素をシート（即ち、予め形成されたもの）から基板表面に転写することと、グラフェン材料を形成することと、グラフェン材料を基板表面に付着させることと、を含む。
【００７９】
グラフェン材料は、２Ｄグラフェンを含むことができる（例えば、２Ｄグラフェンである）。グラフェン材料は、３Ｄグラフェンを含むことができる（例えば、３Ｄグラフェンである）。グラフェン材料は、修飾グラフェンを含むことができる（例えば、修飾グラフェンである）。グラフェン材料は、１種又は複数種のドーパントを含むことができる。グラフェン材料は、１種又は複数種のナノ粒子（例えば、金属ナノ粒子）を含むことができる。グラフェン材料は、炭素を原子百分率で少なくとも９６％含むことができる。グラフェン材料は、酸素を、３％未満、又は１．２％未満、又は０．５％未満の原子百分率で含むことができる。グラフェン材料は、窒素を、３％未満、又は１．２％未満、又は０．５％未満の原子百分率で含むことができる。
【００８０】
本発明の任意の一態様の任意選択的な特徴及び好ましい特徴は、本発明の他の任意の態様の特徴となり得る。
【００８１】
本発明の例示的な実施形態を以下の図面を参照しながらここに説明する。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】レーザー処理を行う前の、ＣＯ２パルスレーザー彫刻システムの真下に配置された、シリコン基板に接するポリイミドフィルムを示すものである。
【図２】レーザー処理の最中の図１のポリイミドフィルム及びシリコン基板を示すものである。
【図３】レーザー処理後の図１のポリイミドフィルム及びシリコン基板を示すものである。
【図４】レーザー処理後にポリイミドフィルムを除去した後の図１のシリコン基板を示すものである。
【図５】図１〜４に示す方法を用いてシリコン基板上に堆積させた３Ｄグラフェンに関し測定したラマン分光スペクトルを示すものである。
【図６】図１〜４に示す方法を用いてシリコン基板上に堆積させた３ＤグラフェンのＸ線光電子分光スペクトルを示すものである。
【図７】レーザー処理を行う前の、ＣＯ２パルスレーザー彫刻システムの真下に配置された、ポリスチレン基板に接するポリイミドフィルムを示すものである。
【図８】レーザー処理の最中の図７のポリイミドフィルム及びポリスチレン基板を示すものである。
【図９】レーザー処理後の図７のポリイミドフィルム及びポリスチレン基板を示すものである。
【図１０】レーザー処理後にポリイミドフィルムを除去した後の図７のポリスチレン基板を示すものである。
【図１１】図７〜１０に示す方法を用いてポリスチレン基板上に堆積させた３Ｄグラフェンに関し測定されたラマン分光スペクトルを示すものである。
【図１２】ポリイミド基板上に堆積させた３ＤグラフェンフィルムのＡＦＭ像を示すものである。
【発明を実施するための形態】
【００８３】
第１の例示的実施形態
３Ｄグラフェンを以下に説明し図１〜４に例示する方法によりシリコン基板上に堆積させ、付着させた。図１に示すように、６００μｍの厚みのシリコン基板１を、１２０μｍの厚みのポリイミドフィルム上に直接配置した。
【００８４】
図２に示すように、ＣＯ２赤外パルスレーザー彫刻及び切断システム（Ｔｒｏｔｅｃ  Ｓｐｅｅｄｙ  ４００  ｆｌｅｘｘ）３を使用して、レーザービーム４をポリイミドフィルムから見て外側の基板表面に向けた。このレーザーシステムは、１０．６μｍの波長の光を放出し、ビーム径が５０μｍとなり、パルス幅が１４μｓ、出力が１４．１４Ｗとなるように調整した。基板表面全体をレーザービームにより走査速度２８４ｍｍ／ｓで走査した。このプロセスは室温及び大気圧下に実施した。
【００８５】
図２に示すように、レーザービームが向けられる基板の領域に直接接しているポリイミドフィルムの部分５は、３Ｄグラフェンに転化する。理論に束縛されることを望むものではないが、本発明者らは、レーザーから発生する熱（及び／又は光）が、ポリイミドフィルムの温度が、ポリイミドフィルムが３Ｄグラフェンに転化される温度である８００℃〜１０３０℃まで局所的に上昇するように、基板を通過して基板及びポリイミドフィルムの間の界面７まで伝播される（図２の破線６で示す）と考えている。
【００８６】
ポリイミドフィルムは界面７で３Ｄグラフェンに転化する。形成された３Ｄグラフェンは、ポリイミドフィルムの厚み全体に延在していなかった。
【００８７】
レーザービームを停止し（図３）、ポリイミドフィルムの未転化部分を基板から除去した（図４）。本発明者らは、ポリイミドフィルムから形成された３Ｄグラフェン部分５Ａが、ポリイミドフィルムの未転化部分を除去した後も基板に付着したままであったことを確認した。３Ｄグラフェンの残部５Ｂはポリイミドフィルムに付着したままであった。
【００８８】
更に調査を行ったところ、本発明者らは、基板及び３Ｄグラフェンの界面でシリコン基板の構造が変性されていたことを見出した。炭化ケイ素（ＳｉＣ）又はオキシ炭化ケイ素（ＳｉＯｘＣｙ）と考えられる薄層が、シリコン基板及び３Ｄグラフェンの界面に形成されており、３Ｄグラフェンをシリコン基板に結合していることが示された。
【００８９】
シリコン基板上に堆積した３Ｄグラフェンをラマン分光及びＸ線光電子分光（ＸＰＳ）にて特性評価した。
【００９０】
図５に示すラマン分光スペクトルは、３Ｄグラフェンに特徴的な３つの主要なピークを示していた。特に、１３４４ｃｍ−１のＤピークは、格子欠陥及び曲がったｓｐ２炭素−炭素結合の存在を示す特徴的なピークであり、１５７７ｃｍ−１のＧピークは、炭素のｓｐ２混成に特徴的であり、歪んだ六角形の炭素環又は他の次数（ｏｒｄｅｒ）の炭素環が存在し、炭素のｓｐ３混成を上限５％で含むことを示している。２６８５ｃｍ−１の２Ｄピークは、３Ｄグラフェンの二次の遷移（ｓｅｃｏｎｄ  ｏｒｄｅｒ  ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ）に特徴的であり、ここで二重線の構造が存在しないことは、多層２Ｄグラフェン又はグラファイトに見られるであろう平面状のＡＢ積層が存在しないことを示唆している。２Ｄピークを、２６８５ｃｍ−１を中心とする単一のローレンツピーク（半値全幅６７ｃｍ−１を有する）でフィッティングすると、形成された３Ｄグラフェンには、１層のみ又は２〜３層のグラフェン様層が存在することが示される。Ｄ／Ｇピーク比（０．４）の解析から、平均結晶粒径（即ち、３Ｄグラフェンの結晶子のサイズ）が４３．６ｎｍであったことが示された。
【００９１】
図６に示すＸＰＳスペクトルは、２８４．５ｅＶに主ピークがあり、これはｓｐ２炭素−炭素結合の存在を示唆するものである。炭素−窒素単結合及び二重結合に付随するピークは、炭素−酸素単結合及び二重結合のピークと同様に小さい。ＸＰＳ解析から、存在する原子の９６％が炭素原子であり、一方、存在する原子の僅か２．８％が窒素原子であり、存在する原子の僅か１．２％が酸素原子であることを示唆している。
【００９２】
この方法により形成された３Ｄグラフェンは厚みが５μｍ〜２０μｍの間にあることが判明した。この３Ｄグラフェンは多孔質であり、平均細孔径が４ｎｍ〜１０ｎｍの間にあることが判明した。
【００９３】
本発明の第１の例示的な実施形態による方法は、二酸化シリコンウェハ（シリコンウェハ上の厚みが３００ｎｍの二酸化シリコン層から構成される）上に３Ｄグラフェンを形成するためにも使用されており、同様の結果が得られる。
【００９４】
この第１の例示的実施形態に従う方法を用いて堆積させた３Ｄグラフェン材料に、プラズマドーピング等の当該技術分野において知られている標準的なドーピング方法を用いてホウ素及び窒素をドーピングした。
【００９５】
第２の例示的実施形態
以下に説明し図７〜１０に例示する方法により、３Ｄグラフェンをポリスチレン基板に堆積させ、付着させた。図７に示すように、厚みが２５μｍのポリイミドフィルム８を厚みが６００μｍのポリスチレン基板９上に直接配置した。
【００９６】
図８に示すように、ＣＯ２赤外パルスレーザー彫刻及び切断システム（Ｔｒｏｔｅｃ  Ｓｐｅｅｄｙ  ４００  ｆｌｅｘｘ）１０を使用し、レーザービーム１１を基板９から見て外側のポリイミドフィルム８の表面に向けた。このレーザーシステムは、波長１０．６μｍの光を放出し、ビーム径が５０μｍ、パルス幅が１４μｓ、出力が６Ｗとなるように調整した。レーザービームで基板表面全体を走査速度８７．５ｍｍ／ｓで走査した。このプロセスは室温及び大気圧下に実施した。
【００９７】
図８に示すように、レーザービームを指向させたポリイミドフィルムの部分１２を３Ｄグラフェンに転化させた。ポリイミドフィルムの厚み全体を３Ｄグラフェンに転化させた。
【００９８】
レーザービームを停止し（図９）、ポリイミドフィルムの未転化部分を基板から除去した（図１０）。本発明者らは、ポリイミドフィルムの未転化部分を除去した後も、ポリイミドフィルムから形成した３Ｄグラフェンが基板に付着したままであったことを確認した。更に調査を行ったところ、本発明者らは、基板及び３Ｄグラフェンとの界面のポリスチレン基板の構造が変性されていることを見出した。この界面のポリスチレン基板の薄層が溶融して再固化し、３Ｄグラフェンを基板に結合させていることが示された。
【００９９】
ポリスチレン基板上に堆積した３Ｄグラフェンをラマン分光で特性評価した。
【０１００】
図５に示すラマン分光スペクトルは、３Ｄグラフェンに特徴的な３つの主要なピークを示していた。特に、１３４０ｃｍ−１のＤピークは、格子欠陥及び曲がったｓｐ２炭素−炭素結合の存在を示す特徴的なピークであり、１５７７ｃｍ−１のＧピークは、炭素のｓｐ２混成に特徴的であり、歪んだ六角形の炭素環又は他の次数の炭素環が存在し、炭素のｓｐ３混成を上限５％で含むことを示している。２６８０ｃｍ−１の２Ｄピークは、３Ｄグラフェンの二次の遷移に特徴的であり、ここで二重線の構造が存在しないことは、多層２Ｄグラフェン又はグラファイトに見られるであろう平面状のＡＢ積層が存在しないことを示唆している。２Ｄピークを、２６８０ｃｍ−１を中心とする単一のローレンツピーク（半値全幅６１ｃｍ−１を有する）でフィッティングすると、形成された３Ｄグラフェンには、１層のみ又は２〜３層のグラフェン様層が存在することが示される。Ｄ／Ｇピーク比（０．８）の解析から、平均結晶粒径（即ち、３Ｄグラフェンの結晶子のサイズ）が２３．５ｎｍであったことが示された。
【０１０１】
この方法により形成された３Ｄグラフェン層は厚みが２０μｍ〜４５μｍの間にあることが判明した。３Ｄグラフェンの導電率は、ガルバニックインピーダンス測定により特定されるように、１０Ｓ／ｃｍ〜１００Ｓ／ｃｍの間にあることが判明した。３Ｄグラフェンは多孔質であり、平均細孔径が４ｎｍ〜１０ｎｍの間にあることが判明した。
【０１０２】
本発明のこの第２の例示的実施形態に従う方法は、（１）環状オレフィンコポリマー（ＣＯＣ）の薄肉フィルム及び（２）ポリ（メタクリル酸メチル）（ＰＭＭＡ）の薄肉フィルムから構成される基板上に３Ｄグラフェンを形成する際にも使用されており、同様の結果が得られる。
【０１０３】
図１２は、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）像であり、この方法により堆積させることができる細密な３Ｄグラフェン構造の例を示すものである。
【０１０４】
この第１の例示的実施形態による方法を用いて堆積された３Ｄグラフェン材料に当該技術分野において知られているプラズマドーピング等の標準的なドーピング方法を用いてホウ素及び窒素をドーピングした。
【０１０５】
本明細書に開示した本発明の範囲内で更なる変形及び修正を行うことが可能である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【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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【国際調査報告】
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