Essay

グラフェンを「視る」

Seeing and believing graphene
寺澤知潮

TERASAWA Tomoo

ナノスケール構造機能材料科学研究グループ
Research Group for Nanoscale Structure and Function of Advances Materials

ナノスケール構造機能材料科学研究グループの寺澤知潮と申します。2015 年に東京大学で学位を取得後、筑波大学、名古屋大学でのポスドクを経て 2018 年 4 月から博士研究員として 2020 年 4 月に正職員としてナノスケールグループに所属しております。早いもので機構に着任してからもう 3 年半になります。この度「談話室」への執筆の機会を頂きましたので、これまでの研究活動について簡単にご紹介いたします。
私は学部生の頃から一貫してグラフェンという物質に興味を持ちほとんどの研究期間あるいは研究機関において研究の対象として来ました。グラフェンは炭素原子のハニカム格子からなる原子一層の厚さの物質で、強磁場中で電気伝導度が (n+1/2) に比例する半整数量子ホール効果や、電子の後方散乱の抑制による 200,000cm2/Vs という極めて高いキャリア移動度といった特性を室温でも示し、基礎から応用まで幅広い分野で注目を集める物質です。グラフェンは黒鉛をセロハンテープで剥離するという極めて原始的な手法で単離されたことが 2010 年のAndre Geim 博士らのノーベル物理学賞受賞につながったことでも知られています。この手法で得られるグラフ
ェン試料の質は基礎研究においては十分ですが、実用化においては特に面積と単層グラフェンの選択性に課題があります。作製技術の観点からは基礎と応用の間には極めて大きなギャップがありました。
大きなグラフェンを作るためには、小さなグラフェンの結晶を大きく育てる必要があります。そのメカニズムを理解するためには結晶の成長過程をリアルタイムでイメージングする、すなわち「視る」ことが極めて重要です。ところが、グラフェンの結晶を成長させる環境では、原料の炭化水素の供給や、グラフェンを担持する基板表面の酸化や昇華の抑制などの目的のため、Ar、H2、CH4といった気体が大気圧程度まで供給されています。このため、電子顕微鏡を用いてグラフェンの結晶成長を「視る」ことはできません。さらに、グラフェンは 97.7% の光透過率を示しほとんど透明であるため、可視光で「視る」ことも極めて困難です。
大学院博士課程ではこの問題に取り組み、グラフェンの成長基板としてよく用いられる Cu 基板の上でグラフェンと Cu が熱放射光のコントラストを示すことを見出しました。原子一枚分の厚さのグラフェンは基板からの熱放射光をほとんど透過するだけでなく、自らの熱放射光を加算するために、反射光観察では得られなかった光学コントラストが熱放射光観察においては識別できる、すなわちグラフェンが「視える」ことになります [1,2]。グ33

基礎科学ノート Vol. 28

No.1

February 2022

I am Tomoo Terasawa, amember of the Research Groupfor Nanoscale Structure andFunction of Advances Materials. After receiving mydegree from the University of Tokyo in 2015, I worked
as a postdoctoral researcher at University of Tsukubaand Nagoya University before joining the NanoscaleGroup as a postdoctoral researcher in April 2018 andas a full-time staff member in April 2020. It has been
three and a half years since I joined JAEA. Since I
am allowed to write for the "Essay," I would like tointroduce my research activities so far briefly.
Ever since I was an undergraduate student, I havebeen interested in graphene and working on it formost of my research periods and institutes. Graphene
is a one-atom-thick material consisting of a honeycomb
lattice of carbon atoms. It shows the half-integer
quantum Hall effect, in which electrical conductivity is
proportional to (n+1/2) in high magnetic fields at room
temperature and the extremely high carrier mobility of
200,000 cm2/Vs by suppressing electron backscattering.
Graphene is a material attracting attention in a wide
range of fields, from basic to applied. Graphene is also
well known because graphene was first isolated by
exfoliating graphite with scotch tape. Despite the very
primitive method, it resulted in the Nobel Prize inPhysics awarded to Dr. Andre Geim and his colleague
in 2010. While graphene samples obtained by thismethod are sufficient for basic research, there is a vast
gap between the basic researches and applications ofgraphene. Mainly, the size and selectivity of single-layer
graphene are significant issues.
The fabrication of the large graphene requires amethod to grow small graphene crystals into large
ones. To understand the graphene growth mechanism,real-time imaging, or "seeing," of the crystal growth iscrucial. However, the environment where graphene
crystals grow is filled with gases such as Ar, H2, andCH4 up to atmospheric pressure to supply hydrocarbons
and prevent oxidation and sublimation of the supporting
substrate. It is impossible to "see" the crystal growth ofgraphene using an electron microscope. Furthermore, it
is extremely difficult to "see" graphene in visible light as
it is almost transparent with 97.7% light transmittance.
During my Ph. D. course, I tackled this problem andfound that graphene and Cu exhibit an optical contrast
in thermal radiation on a Cu substrate often used as agrowth substrate for graphene. Because graphene is as

談 話 室ラフェンの結晶が六角形のコントラストとしてディスプレイ上に現れたときの感動は今でも忘れられません。
この頃からグラフェンの結晶成長に限らず様々な物質・現象のリアルタイム観察に興味を持つようになりました。筑波大学では透過型電子顕微鏡 (TEM) の試料ステージにおける 2000K 級のヒーターの開発に取り組み、高温における結晶表面の振る舞いを原子レベルで観察できる機構を開発しました。本機構を用いて ZrO2 の結晶晶癖の相変態直下の高温における晶癖を「視る」研究を行いました [3,4]。
名古屋大学ではまたグラフェンに戻り、炭化ケイ素 SiCなどの炭化物の昇華によってグラフェンを形成する研究に従事しました。SiC を 1700℃まで加熱すると Si のみが昇華しグラフェンが形成します。SiC 基板は大面積の絶縁性単結晶でありパワー半導体などの分野で多く実用化されていることから、SiC 上に形成されたグラフェンは一気に実用に結びつく可能性があります。私は新学術領域「原子層科学」のポスドクとして採用されていたため SiC 基板上の熱分解によるグラフェンの試料提供やこの頃に着手した量子科学計算によっていくつかの論文に貢献することができました [5,6]。特に量子科学計算によって得られた原子構造が TEM によって「視た」構造とよく一致したことは大きな喜びでした。
大学院生の頃に培ったグラフェンの結晶成長およびその観察技術は現在の研究にも活かされています。グラフ
ェンの成長基板としてよく用いられる Cu と化学・物理的な性質が似ている Au 基板を用いてグラフェンの結晶成長を行った成果では Au の水素処理に応じてグラフェンが Au から光物性の変調を受けることを見出しました[7]。現在は角度分解光電子分光と量子科学計算を用いてグラフェンのバンド構造を「視える」化し、その起源について議論を進めているところです。さらに、グラフェンの水素同位体分離膜としての機能にも注目し、グラフェンの大面積単結晶を得る技術を活かしてその機構解明を進めています。こちらもいずれ分離能の活性点が「視える」ようにならないかと期待しています。
2018 年に着任して以来、ナノスケール Gr の皆様、先端研の皆様、機構の皆様には数々のご指導やご支援を頂きました。この場を借りてお礼申し上げます。頂いたものをお返しできるよう今後ともこれらの研究を発展させて行きたいと思います。

参考文献

References[1] T. Terasawa, et al. , Nat. Commun. 6, 6834 (2015)[2] T. Terasawa, et al ., Appl. Phys. Exp. 8, 035101 (2015)[3] T. Terasawa, et al ., J. Nanosci. Nanotechnol. 17, 2848
(2017)[4] S. Kikuchi, T. Terasawa, et al ., J. Nanosci.
Nanotechnol. 18, 463 (2018)[5] H. Imaeda, T. Terasawa, et al ., J. Phys. Chem. C. 122,19273 (2018)[6] W. Norimatsu, T. Terasawa, et al ., Nanotechnol. 31,145711 (2020)[7] T. Terasawa, et al ., Jpn. J. Appl. Phys. 58, SIIB17(2019)

thick as a single atom, it transmits most of the thermalradiation from the substrate and adds its own thermalradiation. Although the optical contrast cannot be
obtained by reflected light observation, it was achievedby thermal radiation observation, i.e., graphene can be"seen" [1,2]. I still remember the excitement I felt whengraphene crystals appeared on display as a hexagonal
contrast.
Since then, I have been interested in the real-timeobservation of graphene crystal growth and various
other materials and phenomena. At University ofTsukuba, I developed a 2000 K-class heater in the fieldof view of a transmission electron microscope (TEM)
to observe the behavior of crystal surfaces at hightemperatures at the atomic level. Using this mechanism,
we "saw" the crystal habit of ZrO2 at high temperatures
just below the phase transformation [3,4].
At Nagoya University, I worked on graphene
formation by the thermal decomposition of carbides
such as silicon carbide (SiC). SiC substrates are largearea insulating single crystals and have been widelyused in power semiconductors and other fields.
Graphene formed on SiC has the potential to leadto practical applications soon. I was employed as a
postdoctoral researcher by "Science of Atomic Layers"in "Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative
Areas." I contributed to several papers by providing
graphene samples by decomposition of SiC substrates
and by first-principle calculations, which I started atthat time [5,6]. In particular, it was a great pleasure
to see that the atomic structure obtained by the firstprinciple calculations well matched the structure "seen"
by TEM.
The graphene crystal growth and observation
techniques that I developed as a graduate student
are still being used in my current research. Since thechemical and physical properties of Au are similar to
those of Cu, I worked on graphene crystal growth onAu substrates. During my work, what I found wasthat Au modulated the optical properties of graphene
in response to hydrogen treatment [7]. We are now
using angle-resolved photoemission spectroscopy andfirst-principle calculations to "see" the electronic band
structure of graphene and discuss the origin of the
optical property modulation. Furthermore, we are also
focusing on the function of graphene as a hydrogenisotope separation membrane. Taking advantage of theavailability of large-area single crystals of graphene, we
try to elucidate its mechanism. I hope to eventually beable to "see" the active site of the isotope separation
ability.
Since I arrived in 2018, I have received a lot ofguidance and support from Nanoscale Gr, ASRC, andJAEA. I would like to take this opportunity to thankthem and continue to develop these researches so that
I can return what I have received.

基礎科学ノート Vol. 28

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