2017 Fiscal Year Research-status Report
Adhesion process of a graphene nanomechanical switch and its optical control
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17K05105
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| Research Institution | University of Hyogo |
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Principal Investigator |
乾 徳夫 兵庫県立大学, 工学研究科, 准教授 (70275311)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | グラフェン / ナノスイッチ / カシミール力 / 光制御 / 凝着 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究はグラフェンを可動電極として有する小型リレースイッチに関する研究である．近年，IOT技術への期待が増大するに伴い，長時間の使用でも電力消費が少ない電子デバイスが求められている．グラフェンナノ機械式スイッチはOFF時の待機電力が極めて小さく，またグラフェンが優れた機械的特性を有することから開発が進められている．しかし，グラフェンが固定電極に凝着することで動作が停止する場合があり，実用化には至っていない．そこで，本研究ではグラフェンが固定電極に凝着する問題を解決すると共に，光照射によるグラフェンナノスイッチの制御を目指している．本年度の研究成果として，１．凝着問題を解明するために，可動電極と固定電極の距離が小さくなった場合に著しく増大するカシミール力について考察を行った．電場とカシミール力が同時に作用した状態のグラフェンが凝着を起こすことなく安定に存在できる基板間の距離を計算し，設計指針を提示することができた．２．溝を有するシリコン基板上で溝を架橋するように配置された自立グラフェンに光照射を行った場合，シリコンとグラフェン間のカシミール力が増大する．さらに，電場を印加していれば，カシミール力の増大がトリガーとなり凝着が起こる．この過程をシミュレーションし，動応答について解析した．３. カシミール力は時間的に揺らぐ，その温度依存性を解析し，温度と共に増大するがその大きさは実用上無視できることを示した．４．可動電極が単層膜ではなく多層膜であった場合，カシミール力がどの様に変化するかを解析した．５．酸化シリコン膜で被覆されたシリコン基板上に微小ピットを光リソグラフィー技術により作成し，その上に単層自立グラフェン膜を作製することができた．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
凝着問題の本質はグラフェンに作用する凝着力が復元力より大きくなることにより凝着状態が続きスイッチとしての機能をはたせなくなる点にある．本研究では理論と実験の両面でこの凝着問題と光照射による制御を進めている．理論面ではグラフェンのサイズと基板間距離を如何に設定するかが重要な問題となる．グラフェンには電気力の他にカシミール力が作用する．カシミール力はファンデルワールス力と同様に真空の電磁場揺らぎで生じる力で，物体間の距離が小さくなると急激に大きくなる性質がある．したがって，グラフェンに電圧をかけた場合，カシミール力の影響は初期にはほぼ無視できるが，接触間近では大きな影響を及ぼす．そこで，グラフェンの外力に対する応答をグラフェンに関しては連続体力学の範囲で定式化し，また，カシミール力についてはディラックモデルを用いた最新の理論研究結果を用いて計算した．これによりこれまで経験に基づく設計からシミュレーションに基づく設計へ移行することが可能となった．また，シリコンに光照射を行った場合の理論解析も行うことができた．実験では自立グラフェンの作製を目標とした．まず，酸化シリコン基板にサイズの異なる正方形のピットパターンを光リソグラフィー技術で作製し，その上に化学気相成長（ＣＶＤ）法で作製されたグラフェンをドライな方法で転写した．グラフェン膜を走査電子顕微鏡，ラマン顕微鏡および原子間力顕微鏡で観察し，小さなピットに対しては自立膜が作製できたことを確認した．また，ピットサイズが大きくなるとグラフェンが基板に凝着した．よって，自立グラフェンと凝着状態のグラフェンの双方を得ることができたので，これら二つを比較し凝着問題の解明を進めることができるようになった．以上，初期の研究計画で予定された課題を概ね完了することができた
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| Strategy for Future Research Activity |
まず，理論的な課題について述べる．グラフェン機械式電気スイッチはそれ自身がアクチュエータとしての機能を有している．電圧の印加により変形したグラフェンは電圧ゼロにすると復元力により平坦な状態に戻る．ここで，注目すべきはグラフェンが極めて軽く，大きなヤング率を有するため，同サイズの膜と比較して固有振動数が大きく元の状態に素早く戻る点である．よって，グラフェン機械式電気スイッチは大きな加速度を発生させるデバイスでもある．そこで，グラフェンに吸着した物質がどの様に加速されて放出されるかを研究することで，大気中の運動について理論的に考察する．次に実験に関してはより大きな自立グラフェン膜の作製を目指す．電子デバイスとしては微小な方が有利であるが，凝着問題を解明していく上ではサイズが大きい方が変位量を増大させることができ，その結果，明確な結果が得られる．現在のところ基板の加工に光リソグラフィー技術を使用しているため，作製に多大な時間を要している．また，このような技術を有する研究機関は多くないため，自立グラフェンを使った研究が普及していないと考えられる．そこで，より簡易なグラフェン自立膜の作製方法を模索する．次にグラフェンに光を照射しその影響について調べる．本研究ではカシミール力の光制御として，シリコンに光を照射し電子ホール対を生成することにより表面の反射率が変化させることを利用している．実験ではグラフェンを通過させる形でシリコン基板に光照射を行うため，光吸収によりグラフェンが加熱される可能性がある．そのためグラフェンのダメージについて調べる．また，グラフェンに作用するカシミール力は温度上昇に伴い増大する傾向にあるためその効果についても調べる．
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| Causes of Carryover |
自立グラフェン作製に当たり，学内の施設を使用したため予想より加工費用が低額となった．しかし，製作に時間を要するため今後は申請者の研究室で自作する予定で，剰余分はその費用に充当する．
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