永井科学技術財団賞受賞者研究論文概要
グラフェンとセラミックス半導体材料のヘテロ構造によるセンサー技術の研究開発
名古屋工業大学 大学院工学研究科 准教授

Kalita Golap

1. テーマ設定の背景

3. 1 グラフェン膜の合成方法

本研究の目的は、従来技術と異なる、独自に開廃棄物等の身近な材料でグラフェンを作製す発した固体炭素源を用いた化学気相成長法（CVDる技術として、固体炭素源を用いたCVD装置を法）により、高品質な単結晶グラフェンの合成と、開発した（図 1）。大面積グラフェン膜の作製手

セラミックス半導体とのヘテロ構造によるセン法は、従来のグラフェンの作製法とは異なり、樟サー技術の基礎を確立することにある。グラフェ

脳、ポリスチレン、ポリエチレン等の固体炭素源

ンは、二次元材料であり、優れた電子移動度や導を含む有機分子によるグラフェン作製方法を開発

電性を持つため、セラミックス半導体（GaN,した。それにより、安価な固体炭素源や廃棄物プGa2 O3 等）上にグラフェンを作製した新たなデバラスチックを原料とすることで、身近なものからイス構造の開発が可能である。グラフェン・セラ

高価なグラフェンを作製することを実証した。まミックス半導体ヘテロ構造の界面における優れたた、世界で初めて、固体炭素源を用いたCVD法

ショットキー接合特性を活かした、高感度・高精によるグラフェン成長の等方性と異方性について度・高速応答センサーの開発が目標である。

明らかにし、大単結晶粒・大面積高品質な単結晶グラフェンの作製に成功した。本技術により作製

2. 素形材分野との関連性されたグラフェン膜は、太陽電池やタッチパネル

本研究開発は、グラフェンの合成に関する新たの透明電極として応用が可能である。この研究開な技術であり、グラフェンとセラミックス半導体

発 の 結 果 を 国 際 誌［CARBON, APPLIEDのヘテロ構造による新機能性材料を用いた新型セPHYSICS LETTERS］等に発表し、複数の国際ンサーの開発技術である。

誌で表紙にも採用された（図 1）。

3. 研究開発の成果
グラフェンは、メタンを高温で熱化学反応させるCVD法により作製する技術が主流だが、コスト及び大面積単結晶化が課題である。
本研究では、ポリスチレンとポリエチレンを含む固体炭素源を用い、CVD法による高品質な単結晶グラフェンの量産技術の開発を行った。CVD法により合成されたグラフェンを、GaN, Ga 2 O 3 等のセラミックス半導体上へ転送する技術を開発し、ヘテロ構造デバイス作製に成功した。作製されたグラフェン・GaNとグラフェン・Ga 2 O 3 の界面におけるショットキー接合特性、光起電力効果を明らかにし、高感度・高速応答性の紫外線センサーの開発に成功した。

図1－1－

 体炭素源を用いたCVD法による単結晶グラフェ固ンの合成方法（研究結果が国際誌の表紙に採用）

新東技報 No.38 ʼ20

3. 2 グ ラフェン・セラミックス半導体ショットキー接合の作製

一般的なデバイスの代わりとなる新たな高感度センサーとして応用できる。

CVD法により銅箔上に合成されたグラフェンのセラミックス半導体（GaN, Ga 2 O 3 等）への転送技術を開発した。申請者の研究により、
図 2（a）,（b）に示したように、銅箔を化学エッチングし、単層グラフェンをGaN半導体上に転写することができた。また、転写されたグラフェンとGaN半導体の界面を明らかにしたことで次世代電子デバイスへの応用を可能にした。図 2（c）,（d）に示したように、転写された単層グラフェンとGaNの界面はショットキー接合であることを確認し、紫外線による光起電力効果を観察できた。単層グラフェンとGaNの界面では効率的な光励起解離が起こることを明らかにした（Appl. Phys. Lett.

図3 グ
 ラフェン・セラミックス半導体（GaN, Ga 2 O 3）のセンサーデバイス構成と特性（動作可能な波長200-390nm）

4. 訴求点

111, 013504, 2017）。

グラフェンを用いたセンサーは、今までにない新たなデバイス構造により、極限環境下（300 ～400℃以上の耐熱性、耐腐食性、急激な温度変化への耐性、耐圧性）での使用も可能になる。グラフェンを用いたセンサーの開発により、IoTや宇宙関係技術の新たな産業に繋がることも期待できる。申請者の本研究開発は、様々な国際ニュースにも取り上げられている。また、グラフェン中に他の原子（窒素等）をドーピングして触媒性を持たせることができ、空気電池、触媒への応用が期
図2

 箔上に合成されたグラフェンのセラミックス半銅導体への転写 及び、ショットキー接合デバイスの作製待できる。
参考文献
1）“ U l t r a v i o l e t l i g h t i n d u c e d e l e c t r i c a l

3. 3 センサーデバイス構成と特性

hysteresis effect in graphene-GaN

グラフェン・GaN及びグラフェン・Ga 2 O 3 界

heterojunction”, A. K. Ranade, R. D.

面における優れたショットキー接合特性を明らか

Mahyavanshi, P. Desai, M. Kato, M.にし、センサーデバイスを作製できた。図 3 に示

Tanemura, G. Kalita*,（Applied Physics

したように、高感度・高速応答性の紫外線センサー

Letters, vol. 114, pp. 151102, 2019）を開発した。他の材料では不可能なグラフェンと2）“Observing charge transfer interaction in CuIのヘテロ構造を作製することで、薄い界面によるand MoS2 heterojunction for photoresponsive

高感度のセンサーデバイスが作製できることを明device application”, R. D. Mahyavanshi, P.

らかにした。申請者が開発を行っているグラフェ

Desai, A. Ranade, M. Tanemura, G. Kalita*,

ン・セラミックス半導体による紫外線センサーは、（ACS Applied Electronic Materials, vol. 1,－2－グラフェンとセラミックス半導体材料のヘテロ構造によるセンサー技術の研究開発

K. P. Sharma, R. D. Mahyavanshi, G. Kalita*,

issue 3, pp. 302-310, 2019）3）“ S w i t c h i n g i s o t r o p i c a n d a n i s o t r o p i c

M. Tanemura,（Applied Surface Science, vol.

graphene growth in a solid source CVD”, B.

393, pp. 428-433, 2016）.

P. Jaisi, K. P. Sharma, S. Sharma, R. D.

10）“ Influence of oxygen on nitrogen-doped

Mahyavanshi, G. Kalita*, M. Tanemura,carbon nanofiber growth directly on（CrystEngComm, vol. 20, pp. 5356-5363,

nichrome foil”, R. Vishwakarma, S. M.

2018）
.

Shinde, M.S. Rosmi, C. Takahashi, R. Papon,4）“ Photovoltaic action in graphene-Ga 2 O 3

R. D. Mahyavanshi, Y. Ishii, S. Kawasaki, G.

heterojunction with deep-ultraviolet

Kalita*, M. Tanemura, Nanotechnology,irradiation”, G. Kalita*, R. D. Mahyavanshi, P.

vol. 27, number 36, pp. 365602, 2016）.

Desai A. K. Ranade, M. Kondo, T. Dewa, M.

11）“ Nitrogen doped graphene as metal freeTanemura,（Physica Status Solidi（RRL）-

electrocatalyst for efficient oxygen

Rapid Research Letters, vol. 12, Issue 8, pp.

reduction reaction in alkaline media and its1800198, 2018）.

application in anion exchange membrane5）“ Nitrogen doping effect on flow-inducedfuel cells”, M. P. Kumar, M. M. Raju, A.

voltage generation from graphene-water

Arunchander, S. Selvaraj, G. Kalita, T. N.

interface”, T. Okada, G. Kalita*, M.

Narayanan, A. K. Sahu, D. K. Pattanayak,

Tanemura, I. Yamashita, M. Meyyappan, S.

（Journal of The Electrochemical Society,Samukawa,（Applied Physics Letters, vol.

vol. 163, issue 8, pp. F848-855, 2016）.
12）“ G r a i n s t r u c t u r e s o f n i t r o g e n - d o p e d112, pp. 023902, 2018）.
6）“ S y n t h e s i s o f M o S 2 r i b b o n s a n d t h e i rgraphene synthesized by solid source-

branched structures by chemical vapor

based chemical vapor deposition”, S. M.

deposition in sulfur enriched environment”,

Shinde, E. Kano, G. Kalita*, M. Takeguchi,R. D. Mahyavanshi, G. Kalita*, K. P. Sharma,

A. Hashimoto, M. Tanemura,（Carbon, vol.

M. Kondo, T. Dewa, T. Kawahara, M.

96, pp. 448-453, 2016）.

Tanemura,（Applied Surface Science, vol.

13）“ T r a n s f o r m a t i o n o f c h e m i c a l v a p o r
deposited individual graphene crystal with

409, pp. 396-402, 2017）7）“ T e m p e r a t u r e d e p e n d e n t d i o d e a n doxidation of copper substrate”, G. Kalita*, R.

photovoltaic characteristics of graphene-papon, S. Sharma, S. Shinde, M. Tanemura,G a N h e t e r o j u n c t i o n” G . K a l i t a * , M . D .

（Carbon, vol. 80, pp. 504-512, 2014）.

Shaarin, B. Paudel, R. Mahyavanshi, M.
Tanemura,（Applied Physics Letters, vol111, pp. 013504, 2017）.
8）“Fundamentals of chemical vapor depositedgraphene and emerging applications”, G.
Kalita*, M. Tanemura, Intech Publisher
Graphene Materials - AdvancedApplications,（2017.5）
9）“ Influence of copper foil polycrystalline
structure on graphene anisotropic etching”,－3－