PRESS RELEASE（2024/02/09）

世界初、グラフェンなどの⼆次元材料テープを開発
⼆次元材料を⾼効率、簡単に転写可能な技術で次世代半導体の開発に貢献
ポイント①

グラフェンや遷移⾦属ダイカルコゲナイドなどの原⼦厚みの⼆次元材料が⼤きな期待を集めているが、成⻑基板からシリコンやフレキシブル基板などへの「転写」が難しかった。

②

⼆次元材料を転写できる、UV 光によって粘着⼒が⼤きく変化するテープの開発に成功。これにより、誰でも⼆次元材料を容易に転写できるようになる。

③

本 UV テープによる転写は、さまざまな⼆次元材料に適⽤可能で、⼤⾯積転写もできることから、⼆次元材料の研究や⽣産プロセスを加速し、新産業創出に⼤きく貢献できる。

概要
近年の情報化社会の進展に伴い、半導体デバイスには⾼速化や省電⼒化が求められていますが、次世代のデバイス材料として期待されているのがグラフェンをはじめとする原⼦の厚みしかない究極に薄い⼆次元の原⼦シート（⼆次元材料）です。しかし、⼆次元材料の多くは成⻑基板からシリコンやフレキシブル基板上に移す「転写」というプロセスが使われますが、この転写の際に⼆次元材料が破れたり、保護膜の⾼分⼦が残って特性低下につながったりすることなどが知られています。また、保護膜の除去には有機溶媒が必要なためフレキシブル基板には使えない、転写に⻑時間かかる、⾼度な転写技術が必要といった課題が多くありました。
九州⼤学グローバルイノベーションセンターの吾郷浩樹主幹教授、⽇東電⼯株式会社、合同会社⼆次元材料研究所、中央⼤学の李恒助教・河野⾏雄教授、九州⼤学先導物質研究所の吉澤⼀成教授、九州⼤学⼤学院総合理⼯学研究院の辻雄太准教授、⼤阪⼤学産業科学研究所の末永和知教授、産業技術総合研究所の林永昌主任研究員らの研究グループは、NEDO の⽀援を受けて、⼆次元材料に特化した紫外線で粘着⼒が低下する機能性テープを開発することに成功しました。この⽅法では、保護膜や有機溶媒を使う必要がなく、エンドユーザーでも簡単に転写できる⼿軽さもあります。また、このテープ転写はグラフェンに限らず、半導体や絶縁体の⼆次元材料にも使えます。さらに、テープ転写したグラフェンを使って、フレキシブルなテラヘルツのセンサーも実現しました。
本研究は、これまで難しかった⼆次元材料の⼤⾯積での転写・製造プロセスに⼤きな進歩をもたらすものであり、半導体を含む次世代産業の創出に⼤きく貢献すると期待されます。
本研究の成果は 2024 年 2 ⽉ 9 ⽇(⾦) 午後 7 時（⽇本時間）発⾏の英国科学誌「Nature Electronics」オンライン版で公開されました。
研究者からひとこと：グラフェンをはじめとする⼆次元材料はとても⼤きな可能性を有していますが、合成後に他の基板に移す「転写」が⼤きな課題でした。今回の転写テープの実現は、⼆次元材料の研究開発のスタイルを⼤きく変え、エレクトロニクスなど新産業の創出（左）さまざまな⼆次元材料のテープ転写のイメージ、（右）単層グラフェンのテープ転写のイメージ写真を⼤きく後押しする成果です。

【研究の背景と経緯】
グラフェンに代表される、原⼦厚みの究極的に薄い⼆次元の原⼦シート（「⼆次元材料」と呼びます）が、ポストシリコン半導体、6G などの次世代通信、フレキシブルデバイス、光・磁気・バイオセンサーなど将来のエレクトロニクス産業で重要な役割を果たすと期待されています。例えば、炭素からなるグラフェンは物質中で最⾼のキャリア移動度（※1）を⽰すことから、集積回路や各種センサーへの応⽤が進められています。また、遷移⾦属ダイカルコゲナイド（transition metal dichalcogenide (TMD)）(※2)と呼ばれる半導体の⼆次元材料は、極薄のチャネル材料として優れた動作を⽰します（シリコン半導体は極薄になると酸化膜が⽣じて⼤幅に特性が低下するため使えなくなります）。その他にも、六⽅晶窒化ホウ素（hexagonal boron nitride (hBN)）は絶縁性の⼆次元材料で、グラフェンや TMD などの特性向上に役⽴つとともに、ガスバリア性にも優れています。さらに、これらの⼆次元材料を積層することで、より多様な物性が得られ、デバイスの特性もより⼀段と向上することが分かっています。
しかしながら、⼆次元材料のデバイス作製には、⾦属などの成⻑基板からシリコン基板やフレキシブルなプラスチック基板などに移す「転写」というプロセスを⾏う必要があり、これが多くの問題を引き起こします。なぜなら、グラフェンは銅触媒の上に化学蒸着法（CVD 法）(※3)と呼ばれる⽅法で⼤⾯積に合成することができますが、銅の上でデバイスを作ってしまうと銅に電気が流れてしまい、グラフェンの優れた特性が発揮できないからです。図１に単層グラフェンの⼀般的な転写プロセスを⽰します。
グラフェンは極めて薄いため簡単に破れてしまいますので、CVD 合成後に⾼分⼦でグラフェンを保護しながら扱います（図 1(a,b)）。その後、基板を酸溶液などに浸すことで銅を溶解させて、⾼分⼦保護膜/グラフェンだけにして溶液から取り出します（図 1(c,d)）。洗浄した後にシリコン基板などに移し（図1(e)）、最後に⾼分⼦をアセトンなどの有機溶媒に浸して除去します（図 1(f））。この⽅法では、(1) 転写時に⾼分⼦と⼀緒にグラフェンが破れやすい、(2) ⾼分⼦を除去するのに有機溶媒が必要で、プラスチック基板には使えない、(3) 完全に⾼分⼦を除去できずグラフェンの表⾯に残ってしまう、(4) エッチングに時間がかかる上、銅を溶かすために銅の再利⽤ができず、環境負荷が⼤きい、(5) ⼤きな⾯積になるほど破れやすい、(6) 転写の経験のある研究者が⾏う必要がある、といった多くの課題がありました。こういった破れや汚染は、⼆次元材料の本来の特性を著しく低下させてしまうことから、簡便で作業者を選ばず、⼤⾯積の基板に使える転写法が求められていました。

図１ ⼀般的なグラフェンの転写法。多くの課題があり、新たな転写法が求められていた。

【研究の内容と成果】
⼆次元材料の合成において多くの知⾒と優れた技術を持つ九州⼤学の研究チームと、幅広い業界に向けて⾼機能材料を開発・販売してきた⽇東電⼯の両者が共同研究を⾏うことで、上記の転写の問題を解決する新たなテープの開発に成功しました。さまざまな機能性テープを検討した結果、紫外光（UV 光）を照射すると粘着⼒が 1/10 程度に⼩さくなるテープ（ここでは UV テープと呼びます）を⽤いることで、⾼効率なグラフェンの転写を実現しました。この研究のポイントは、粘着⼒が強い状態で UV テープをグラフェンに密着させることでしっかりテープ側に「キャッチ」して、UV 光で粘着⼒が弱まった状態で「リリース」して基板に移す、という「キャッチ・アンド・リリース」のアイデアです。科学的には、UV 光でグラフェンと粘着剤のファンデルワールス⼒を制御して転写につなげたことを意味します。本研究では、効率的にグラフェンに適したテープを開発するため、⼈⼯知能（AI）を駆使して研究開発を⾏い、最⾼で 99%の転写率を達成しました。さらに、従来の⾼分⼦転写よりも⽋陥や残渣が少なく、かつ転写を短時間で⾏うこともできるようになりました。

図 2 今回開発した UV テープによるグラフェンの⾰新的転写法

図１に⽰した通常の⽅法と図 2 の UV テープ転写法を⽐較したのが図 3 です。図 3(a)が UV テープによって転写されたグラフェン、図 3(b)が PMMA と呼ばれる⾼分⼦保護膜を⽤いて転写したグラフェンの顕微鏡像です。UV テープによるグラフェン（図 3(a)）は従来法に⽐べると破れや残渣が⼤幅に少なく、かつ表⾯が平滑であることが確認できました。さらに、グラフェンのトランジスタを作って、グラフェンの中を流れるキャリア移動度を測定したところ、UV テープの転写膜でより⾼い移動度分布を得ることができました（図 3(c)）
。また、図 2 に⽰した⽅法を使うと、銅触媒を何度も再利⽤することができます。

図 3 本転写法と従来法の⽐較。(a,b) UV テープと⾼分⼦を⽤いてシリコン基板に転写した単層グラフェンの光学顕微鏡像（上）と原⼦間⼒顕微鏡像（下）。Ra の値は表⾯粗さを⽰す。(c) それぞれのグラフェンを⽤いて作製したトランジスタのキャリア移動度の⽐較。

このテープ転写法はグラフェンだけでなく、他の⼆次元材料にも適⽤することができます。私たちはテープの粘着剤などを最適化して、半導体の⼆次元材料である TMD や絶縁性の hBN も転写できるよ
うにしました。図 4(a)は代表的な TMD である⼆硫化モリブデン（MoS2）を転写した結果で、三⾓形のグレインと全⾯膜が、ともにきれいに転写できているのが分かります。また、図 4(b)に⽰すように、この MoS2 で良好なトランジスタ動作が確認できており、テープ転写でも⼗分な特性が得られることを確認できました。この結果は 2030 年代に期待されている TMD による次世代半導体応⽤につながるものといえます。
図 4(c,d)は hBN を転写した結果です。ここでは hBN→グラフェン→hBN と 3 回転写を⾏っています。このように、本研究で開発した UV テープを使うことで、複数の⼆次元材料を重ねた積層構造まで作製することができます。

図 4 ⼆次元半導体（MoS2）と絶縁体（hBN）の UV テープ転写。(a) MoS2 の三⾓形グレインと全⾯膜の転写後の顕微鏡写真。(b) 転写した半導体 MoS2 のトランジスタ特性。(c) テープを 3 枚⽤いて⾏ったグラフェンと hBN の多重積層の模式図。(d) 実際の転写膜の写真。

UV テープは、⾼分⼦膜とは違い、ある程度の硬さがあるので、はさみなどでカットして取り扱うことができます。図 5 に⽰すように、MoS2 をキャッチしたテープをはさみでカットして、得られた⼩さなテープを所望の位置に貼り付けて転写し、最後に電極を取り付ければ、簡単に多数の MoS2 デバイスを得ることができます。この⽅法の利点は、必要なところだけに⼆次元材料を貼り付ければ良いので、⼤幅に⼆次元材料を節約できる、つまり省エネルギー、低コスト、低環境負荷につながるところです。
その他にも、⽅向の揃った⼆次元材料を使って、⾓度を変えながら積層することもできるという利点があります。

図 5 MoS2 をキャッチした UV テープをカットすることによるパターン転写。必要なところに MoS2を転写するだけなので、MoS2 の使⽤量を⼤幅に減らすことができ、コストダウンやプロセスの簡便化につながる。

UV テープによる転写は他にも利点があります。⾼分⼦保護膜と違って「リリース」時に有機溶媒を使う必要がなく、かつ柔軟性もあるため、図 6 のように、さまざまな素材や形状のものに転写することができます。特に、プラスチック製の眼鏡やフレキシブルなポリマー基板に転写できることは⼤きな利点と⾔えます。また、半導体の MoS2 を導電性のあるグラフェン電極ではさんだ構造もテープ転写では可能です（図 6(d)）。

図 6 UV テープを使うことでさまざまな材料や形状への転写が可能になる。（a）マグカップに転写した単層グラフェン。(b) 紙に転写したグラフェン。(c) プラスチック製の眼鏡に転写した MoS2。
(d) フレキシブルなプラスチック基板（PEN 基板）に転写したグラフェンと MoS2 の積層膜。

プラスチックに転写したグラフェンの応⽤として、テラヘルツ波（THz 波）(※4)を使ったセンサーを作製しました。図 7(a)はプラスチック基板上に、UV テープで転写したグラフェンに電極を取り付けたものです。この上に、ナイフと紙を中に⼊れた封筒を置きます（図 7(b)）。そしてその上から THz 波を照射してグラフェンに⽣じる電圧を測定しました。そうすると図 7(c)のように、ナイフがはっきりと識別できるようになりました。さらに、よく⾒ると紙⽚も封筒の中に⼊っていることが確認できます。この測定は、空港などでのセキュリティー等に利⽤でき、グラフェンが THz センサーとして有効であることを⽰しています。その他にも、私たちはグラフェンデバイスが熱センサーとして利⽤できることを⾒出しています。

図 7 UV テープ転写したグラフェンのテラヘルツのセンサー応⽤。(a) プラスチック上の単層グラフェンのセンサー。(b) 封筒に⼊れる前のナイフと紙⽚。(c) グラフェンを⽤いて検出した、封筒の中のナイフと紙⽚。

最後に、図 8 に UV テープのライブラリーを⽰します。グラフェン、hBN、MoS2、そして WS2 がテープに貼り付けてあり、ユーザーはこれを⼿に取って、ユーザー⾃⾝の基板に貼り付けて剥がすだけで⼆次元材料を転写することができるようになります。極めて簡便な⼿法をエンドユーザーに提供することにより、本転写法が⼆次元材料の産業化に⼤きな役割を果たすと期待できます。

図 8 ⼆次元材料テープのライブラリー。⼦ども⽤のシールのように、テープを貼って剥がすことで⼆次元材料を転写できます。写真の中の⼆次元材料の⼤きさは 10 mm ⾓。

【今後の展開】
今回開発したのは、極めてユニークで、⾰新的な転写法ですので、多くの研究者に使えるようにして、⼆次元材料研究の活性化や、⼆次元材料の新たな応⽤分野の開拓、そして新産業創出につなげていきた
いと考えています。また、現在は最⼤で 4 インチ（100 mm）のグラフェンが転写できていますが、ポストシリコンデバイスやセンサーなどの産業応⽤を⾒据えて、より⼤きなウエハーレベルでの転写を各種⼆次元材料で⽬指していきます。さらに、多くの⼤学や企業との積極的な産学連携活動を通じて⼆次元材料の実⽤化も推進していきます。

【⽤語解説】(※1) キャリア移動度
物質に電場をかけたときの、キャリア（電⼦、正孔）の移動する速さに相当する。移動度が⾼いほど、デバイス動作が速くなることから、デバイス材料の重要な指標の⼀つである。単位は cm2/Vs で表される。
(※2) 遷移⾦属ダイカルコゲナイド（TMD）
モリブデンやタングステンなどの遷移⾦属と、硫⻩やセレンなどのカルコゲン（第 16 族元素）から構成される、厚さが約 1 nm の⼆次元材料。1〜2 eV のバンドギャップをもつ半導体で、100 cm2/Vs を超えるキャリア移動度を⽰すことから、ポストシリコン材料として期待を集めている。
(※3) 化学蒸着法（CVD 法）
600〜1200 ℃に加熱しながら、⾼温の原料と基板を反応させて⼆次元材料を合成する⼿法で、⼤⾯積にも合成できる⽅法として世界的に広く使われている。本研究では、グラフェンの場合は銅基板とメタン、hBN の場合は鉄ニッケル合⾦とボラジン（B3N3H6）、MoS2 の場合はサファイア基板と MoO3 と硫⻩を⽤いている。全ての基板において「転写」が必要である。なお、⼆次元材料の研究開発においてシリコン基板を⽤いることが⼀般的で、多くの報告があるため、本研究でもシリコン基板を標準的な転写先として⽤いた。
(※4) テラヘルツ波（THz 波）
30 m から 3 mm 程度の波⻑をもつ光。低エネルギーで⾼い物質透過性をもつことから、⾮破壊検査や物質の同定などに⽤いられる。また⾼い周波数をもつ電磁波であることから情報通信への応⽤研究も活発に⾏われている。本研究では、THz 発⽣装置から発⽣させた THz 波を⽤い、障害物を透過した後のTHz 波の検出をグラフェンデバイスで⾏った。

【謝辞】
本研究は国⽴研究開発法⼈新エネルギー・産業技術総合開発機構先導研究プログラム「⾼機能テープを⽤いた⼆次元材料の⾰新的転写法の開発」（JPNP14004）、⽂部科学省科学研究費補助⾦学術変⾰領域研究(A)「２.５次元物質科学：社会変⾰に向けた物質科学のパラダイムシフト」（21H05232、21H05233、21H05235、22H05470、22H05478）（領域代表者：吾郷浩樹）、⽇本学術振興会（JSPS）科学研究費補助⾦（23K18878、19K22113、18H03864）（研究代表者：吾郷浩樹）（21K04996、22H05146）（研究代表者（分担者）：辻雄太）、（22F22358）（研究代表者：末永和知）、国⽴研究開発法⼈科学技術振興機構（JST）戦略的創造研究推進事業チーム型研究（CREST）「原⼦・分⼦の⾃在配列・配向技術と分⼦システム機能」（研究統括：君塚信夫）における研究課題「ナノ空隙を利⽤した原⼦・分⼦の配列制御と物性測定法開発」（JPMJCR20B1）（研究代表者：末永和知）、「ナノスケール・サーマルマネージメント基盤技術の創出」（研究統括：丸⼭茂夫）における研究課題「⼆次元材料とナノ計測の融合による相変化伝熱の⾰新」（JPMJCR18I1）（研究代表者：⾼橋厚史）、未来社会創造事業・本格研究「共通基盤」領域（運営統括：⻑我部信⾏）における研究課題「カスタマイズ可能な光学センシングの確⽴と社会・⽣活に新たな価値をもたらす光情報の⾼度利⽤創出」（JPMJMI23G1）（研究代表者：河野⾏雄）、神奈川県⽴産業技術総合研究所（KISTEC）戦略的研究シーズ育成事業における研究課題「⾮破壊画像検査⽤スマートシートの創出」（研究代表者：河野⾏雄）の助成を受けたものです。

【論⽂情報】
掲載誌：Nature Electronics
タイトル：Ready to transfer two-dimensional materials using tunable adhesive force tapes
著者名：Maki Nakatani, Satoru Fukamachi, Pablo Solís-Fernández, Satoshi Honda, Kenji Kawahara,Yuta Tsuji, Yosuke Sumiya, Mai Kuroki, Kou Li, Qiunan Liu, Yung-Chang Lin, Aika Uchida, ShunOyama, Hyun Goo Ji, Kenichi Okada, Kazu Suenaga, Yukio Kawano, Kazunari Yoshizawa, AtsushiYasui, Hiroki Ago
D O I ：10.1038/s41928-024-01121-3【お問合せ先】＜研究に関すること＞
九州⼤学 グローバルイノベーションセンター 主幹教授 吾郷 浩樹（アゴウ ヒロキ）
T E L：092-583-8852

FA X：092-583-8852

Mail：ago.hiroki.974@m.kyushu-u.ac.jp＜報道に関すること＞
九州⼤学 広報課
T E L：092-802-2130 FA X：092-802-2139
Mail：koho@jimu.kyushu-u.ac.jp
⽇東電⼯株式会社 ブランドコミュニケーション部
TEL：06-7632-2101

FAX：06-7632-2568

Mail：communication_group@nitto.co.jp
中央⼤学 研究⽀援室
TEL：03-3817-7423、1675 FAX：03-3817-1677
Mail：kkouhou-grp@g.chuo-u.ac.jp
⼤阪⼤学 産業科学研究所 広報室
TEL：06-6879-8524 FAX：06-6879-8524
Mail：kouhou-staff@sanken.osaka-u.ac.jp
産業技術総合研究所 ブランディング・広報部 報道室
Mail：hodo-ml@aist.go.jp