グラフェン: ボトムアップ型アプローチでカスタマイズ

2014年12月22日

金属表面を利用して化学反応を制御することで、未来のデバイスへの応用が期待されるグラフェンナノリボンを高い精度で作製することができた

銅表面で自己集合によって形成したグラフェンナノリボンの走査トンネル顕微鏡像。右上の差込図の高分解能画像では、「ジグザグ」型リボン構造を白線で強調して表している。
銅表面で自己集合によって形成したグラフェンナノリボンの走査トンネル顕微鏡像。右上の差込図の高分解能画像では、「ジグザグ」型リボン構造を白線で強調して表している。

© 2014 Patrick Han

このたび、東北大学原子分子材料科学高等研究機構(AIMR)の研究者を中心とする学際チームは、化学反応を誘起する銅表面の特性を活用して、欠陥のないグラフェンナノ構造体を自己集合させる方法を考案した1。グラフェンは原子1層分の厚さの炭素シートであり、これを使った高速トランジスタは現行のシリコントランジスタをしのぐものになると期待されている。その薄さゆえにデバイス構造に組み込むことが困難であったが、今回の成果はデバイスの実用化に向けた大きな進歩といえる。

AIMRのPatrick Han助教と一杉太郎准教授が率いるチームは、超小型トランジスタデバイスへの応用が考えられているグラフェンナノリボン(GNR)という細線状の材料を研究している。GNRの電子状態は、そのエッジを縁取る原子の配列に強く依存しており、エッジの炭素原子が「アームチェア」型配置をとるときには半導体になるのに対し、「ジグザグ」型配置をとるときには量子閉じ込めスピン状態の金属となる。

従来の「トップダウン」型アプローチであるリソグラフィー技術でGNRを作製するとどうしても欠陥が入ってしまうため、研究者は近年、より直接的な「ボトムアップ」型アプローチを模索している。この方法では、金属表面上に前駆体分子を蒸着し、それらを1つずつ繋げるようにしてグラフェン細線(リボン)を成長させる。一般的には、化学的に活性な前駆体と比較的不活性な金や銀の基板を併用することにより、分子同士を相互作用させ反応させる手法がとられるが、これまでこの方法で作製できたのはアームチェア型GNRだけであった。

研究チームは、ジグザグ型ナノリボンを合成するため、金や銀よりも反応性の高い銅の表面で分子重合反応を誘起できるか検討した。「銅などの金属表面上では、分子はランダムに拡散しに、金属原子が規則的に並んだ格子と相互作用しやすいのです」とHan助教は説明する。

研究者らは、銅表面に10,10ʹ-ジブロモ-9,9ʹ-ビアントリルという前駆体モノマーを蒸着した後、原子分解能の走査トンネル顕微鏡法を用いて、異なるアニール温度で生成したサンプルの構造を観察した。その結果、室温では前駆体が自己集合して細長い鎖を形成し、その鎖が銅の格子に沿って6方向に優先的に成長していた。また、500℃まで段階的に加熱すると、これらの鎖が集まって島を形成した後、互いにつながり周期的なジグザグ型ナノリボン領域を形成していた(図参照)。

さらなる実験により、分子はグラフェンの重合反応が起こる500℃までジグザグ配列を維持しており、こうした高温での配列維持に前駆体中の臭素原子が一役買っていることが明らかになった。銅表面では通常、室温でも芳香族分子から臭素原子が切り離されてしまうため、これは意外な発見だった。

研究者らは、今回の手法がナノリボンの長さや方向、エッジ構造などの微調整を可能にすることから、表面で誘起される化学反応の研究が今後活発になるだろうと予想している。「私たちの手法を用いれば、反応性表面の特性を利用して、ナノリボンの構造を自在に制御したり、リボンの成長方向を限定したりすることができます」とHan助教は言う。

References

  1. Han, P., Akagi, K., Canova, F. F., Mutoh, H., Shiraki, S., Iwaya, K., Weiss, P. S., Asao, N. & Hitosugi, T. Bottom-up graphene-nanoribbon fabrication reveals chiral edges and enantioselectivity. ACS Nano 8, 9181–9187 (2014). | article

このリサーチハイライトは原著論文の著者の承認を得ており、記事中のすべての実験データは同著者から提供されたものです。