九州シンクロトロン光研究センター課 題 番 号 ： 090542N（様式第４号）

グ ラ フ ェ ン の 成 長 メ カニ ズ ム に 関 す る 研 究
Study on growth mechanism of graphene
1, 2, 3, *

2

1

1

吾郷浩樹
、鈴木純矢 、田中伊豆美 、辻正治
Hiroki Ag o, 1 , 2 ,3 ,* Junya Suzuki, 2 Izumi Tanaka, 1 Masaharu Tsuji 1
1

九州大学 先導物質化学研究所
九 州大学 総合 理工学府 量子プ ロセス理工学専攻
3
JST さ き が け
1Institute for Materials Chemistry and Engineering, Kyushu University
2
Graduate School of Engineering Science, Kyushu University
3
PRESTO-JST
2

１．概要
グラフェンは、非常に高いキャリア移動度やユニークな物性などから、ポスト・シリ コ ン 材 料 と し て 大 き な 注 目 を 集 め て い る 。 現 在 、 我 々 は CVD 法 で 高 品 質 グ ラ フ ェ ンを 合 成 す る こ と を 試 み て い る が 、触 媒 と し て 用 い る 金 属 薄 膜 の 結 晶 性 が グ ラ フ ェ ン の 構
造 と 関 係 す る と 考 え て い る 。 そ こ で 、 今 回 は BL15 で X 線 回 折 測 定 を 行 い 、 金 属 薄 膜 の結 晶 性 を 評 価 し た 。そ の 結 果 、 単 結 晶 基 板 上 で エ ピ タ キ シ ャ ル 的 に 金 属 触 媒 が 堆 積 し ていることを確認することができた。
Recently, gr aphene has attracted a great inter est due to the extraor dinar y high carrier mobilit yand other uniq ue ph ysical properties. We are studying catal ytic gr owth of graphene based ona CVD method.
Her e, we examined cr ystallinit y of the catal yst thin film b y XRD
measurements using B L15 and found the epitaxial growth of the catal yst on a single-cr ystalline
substr ate. This finding is imp ortant for future contr oll ed gr owth of grap hene.

２．背景と研究目的：

ごく最近、化学蒸着法（CVD 法）に基づいたグ

我々は、これまで単層カーボンナノチューブ

ラフェンの合成が報告されるようになってきたのデバイス応用を目指して、水平配向したナノ[5-9]。CVD では金属触媒の薄膜を用い、そのチューブの成長のメカニズムや機能化を研究し上で炭化水素の分解と析出反応を行うものであてきた[1]。最近、単原子の厚さで、二次元に広るが、これまでの研究では多結晶金属を触媒とがるシート状構造をもつ グラフェンが、して用いていた。そのため、生成するグラフェ

200,000 cm2/Vs と極めて高い移動度を示すこンの六員環の方向が統一されておらず、グレイとなどから大きな注目を集めている[2,3]。グランバンダリーも多数存在していた。

フェンはトップダウン的手法で加工することがそこで我々は、エピタキシャル的に製膜したできるので、ナノチューブとは異なった観点か遷移金属触媒を用い、グラフェンをより高度にらのデバイス応用の検討もなされている[4]。

制御して合成することを試みてきた。そして、グラフェン膜の作製は、これまで HOPG のグラフェンの CVD 成長に関していくつか興味機械的剥離や SiC 単結晶の熱分解などが用いら深い現象を見出しつつあり、その生成メカニズれてきたが、サイズ、形状、パターニングといムや触媒の状態を明らかにするために、本センった様々な面で問題があった。そのような中、ターのビームラインを利用させて頂いた。

許出願を行った。
３．実験内容：単結晶基板上にRFスパッタリングで堆積さ「グラフェン薄膜の製造方法およびグラフェン薄膜」，特願 2009-200982（2009/8/31）

せたCo薄膜について、BL15でX線構造解析を行国際特許の出願の可能性についても、JST の支った。このCo膜の堆積やアニール処理、及びグ援制度の下で検討中である。

ラフェンの合成は我々のグループで行った。
７．参考文献４．結果、および、考察：
X 線回折の結果、Co 薄膜が単結晶基板上にエピタキシャル的に堆積しているのを確認することができた。また、高温でのアニール処理により、Co 膜の結晶性が向上することも明らかとなった。
この Co 薄膜を用いてグラフェンを合成する[1] H. Ago et al., Chem. Phys. Lett., 408, 433(2005).; Appl. Phys. Lett., 90, 123112 (2007).; J.
Am. Chem. Soc., 130, 9918 (2008).; J. Phys. Chem.
C, 112, 1735 (2008).; J. Am. Chem. Soc., 130,17264 (2008).; J. Phys. Chem. C, 113, 8030 (2009).;
J. Phys. Chem. C, 113, 13121 (2009).; Appl. Phys.
Lett., 94, 53113 (2009).

ことで、形状制御や生成メカニズムに関して興[2] K. S. Novoelov et al., Science, 306, 666 (2004).
[3] K. I. Bolotin et al., Solid State Commun., 146,

味深い結果を得ることができた（現在、論文作351 (2008).

成中）。エピタキシャル的な Co 膜は、高温でも[4] A. K. Geim, Science, 324, 1530 (2009).
[5] Q. Yu et al., Appl. Phys. Lett., 93, 113103

比較的安定であり、このことがグラフェン合成に有効に作用する理由の一つと考えている。

５．今後の課題：
高品質なグラフェンの大面積合成やナノリボンの合成など、より制御されたグラフェンの合(2008).
[6] L. G. de Arco et al., IEEE Trans. Nanotech., 8,135 (2009).
[7] A. Reina et al., NanoLett., 9, 30 (2009).
[8] X. Li et al., Science, 324, 1312 (2009).
[9] K. S. Kim et al., Nature, 457, 706 (2009).

成を検討 する計画で ある。さらに、 LEED、ARPES 等の表面分析法を活用し、結晶性が高くバンダリーが少なく高い移動度を示すグラフェンの合成とその転写を実現したいと考えている。

８．キーワード・単層カーボンナノチューブ
一枚のグラファイト層を丸めて一次元状にしたもの。直径が約 1 nm であることからナノチューブと呼ばれる。カイラリティと呼ばれるグラフ
ァイトの巻き方に依存して金属にも半導体的に

６．論文発表状況・特許状況① 本結果を含めた結果について下記のように応用物理学会で発表を行った。
2009 年秋季 第 70 回応用物理学会学術講演会「高分子の熱分解によるグラフェン成長」
吾郷浩樹、田中伊豆美、池田賢一、辻正治② 測定結果を一部含む論文は現在投稿準備中である。
③ さらに、測定結果を一部含む内容に関して特もなるというユニークな特性をもつ。
・グラフェン
一枚あるいは数枚のグラファイトの層のこと。
2004 年に初めて HOPG から一枚のグラフェンが剥離され、そのユニークな物性と優れた特性から大きな注目を集めている。透明電極、トランジスタ、センサーなどの応用が期待されている。