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2011 Fiscal Year Research-status Report

ナノ対応プラズマ制御による原子1層2次元炭素シートの垂直配向成長と革新的応用

Research Project

Project/Area Number 23740405
Research InstitutionTohoku University

Principal Investigator

加藤 俊顕  東北大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (20502082)

Project Period (FY) 2011-04-28 – 2013-03-31
Keywords単層カーボンナノウォール / 垂直配向 / グラフェン / プラズマCVD / キャリア移動度
Research Abstract

ナノ対応プラズマ制御による原子1層2次元炭素シートの垂直配向成長と革新的応用の初年度計画に基づき以下の成果が得られた.(1) 空間を一様に加熱することが可能な電気加熱炉と誘導結合型高周波プラズマを組み合わせた, 新規プラズマ化学気相堆積(CVD)装置を製作した.(2)"原子1層2次元炭素シートの垂直配向合成"を実現するためのアプローチとして以下の二つの手法をもとに取り組んだ.2.1. 垂直配向の"多層"2次元炭素シート(カーボンナノウォール)に関して, 層数制御の観点から合成条件を最適化することにより, "単層化"の実現を試みた. 合成条件として触媒材料に着目し, 触媒としてカーボンナノチューブを利用することにより, カーボンナノウォールの合成が促進されることを見出した. さらにカーボンナノチューブを触媒とすることでカーボンナノウォールの層数が少なくなる傾向があることが判明した.2.2."水平配向"単層2次元炭素シート(グラフェン)に関して, 配向性制御の観点から合成条件を最適化し, "垂直配向"の実現を試みた. 配向制御に取り組む前段階として, 基となる水平配向炭素2次元シート(グラフェン)の高品質合成に着手した. 合成温度, プラズマ条件(電子温度, 電子密度, 基板入射イオンエネルギー)を最適化することにより, 欠陥の極めて少ない高品質なグラフェンの合成に成功した. さらに, 触媒条件を最適化することで, 通常困難とされてきた絶縁基板(シリコン酸化膜)上へのグラフェンの直接合成に成功した.

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本年度目的としていた"原子1層2次元炭素シートの垂直配向成長"実現に向けて異なるアプローチで取り組み, 原子"数層" 2次元炭素シートの垂直配向成長, 及び原子1層2次元炭素シートの"水平"配向成長に成功している. 各アプローチで条件を最適化することで単層化, 及び垂直配向化を実現できると期待できる. また, 後者のアプローチにおいては, グラフェンの絶縁基板上への直接合成という予想以上結果も得られており, 本研究全体としてはおおむね順調に進展していると判断した.

Strategy for Future Research Activity

ナノ対応プラズマ制御による原子1層2次元炭素シートの垂直配向成長と革新的応用の年次計画に基づき, 最終年度である今年度は以下の研究を行う.(1)前年度に合成した水平配向単層グラフェンに対して, 成長基板に静電バイアスを印加することにより, 成長基板表面のプラズマシース電場強度を増大させる. この効果を利用することで, 水平配向グラフェンの垂直配向化を実現する. また, 垂直配向多層カーボンナノウォールに対して, イオンフラックスを精密に制御することで, 単層化を実現する. これら二つのアプローチを駆使し, 原子1層2次元炭素シートの垂直配向(単層カーボンナノウォール)成長を実現する. (2)上記の手法により合成した物質に対して, 電気伝導特性評価を行い, 単層カーボンナノウォールの基礎物性を解明する. 具体的には, 酸化膜付きシリコン基板上にフォトリソグラフィ技術を用いて, 電界効果トランジスタのソース―ドレイン電極を配置する. この電極間に垂直配向単層カーボンナノウォールを直接合成し, 電極間を流れる電流のゲート電圧 (シリコン基板をゲート電極として用いる) 依存性を測定する. これにより, カーボンナノウォールの層数と電気特性との相関を明らかにする. また, ソース―ドレイン電流のゲート電圧に依存する傾きから算出されるキャリア移動度がどのように変化するかを明らかにし, 既存のシリコン基板表面平行方向堆積構造のグラフェ ンの特性と比較し, 単層カーボンナノウォールの優位性を明らかとする.

Expenditure Plans for the Next FY Research Funding

次年度使用額は, 今年度の研究を効率的に推進したことに伴い発生した未使用額であり, 平成24年度請求額とあわせ, 次年度に計画している研究の遂行に使用する予定である.

  • Research Products

    (35 results)

All 2012 2011

All Journal Article (1 results) (of which Peer Reviewed: 1 results) Presentation (30 results) Book (2 results) Patent(Industrial Property Rights) (2 results)

  • [Journal Article] Plasma-Synthesized Single-Walled Carbon Nanotubes and Their Applications2011

    • Author(s)
      R. Hatakeyama
    • Journal Title

      Journal of Physics D: Applied Physics

      Volume: 44 Pages: 174004-1-21

    • DOI

      10.1088/0022-3727/44/17/174004

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Direct Fabrication of High-Quality Single-Layer Graphene on SiO2 Substrate by Diffusion Plasma CVD2012

    • Author(s)
      T. Kato
    • Organizer
      第42回フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム
    • Place of Presentation
      Tokyo
    • Year and Date
      2012.3.6
  • [Presentation] Property Control of Single-Walled Carbon Nanotubes Field Effect Transistor by Nitrogen and Fluorine Doping Using Plasma CVD2012

    • Author(s)
      M. Akutsu
    • Organizer
      第42回フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム
    • Place of Presentation
      Tokyo
    • Year and Date
      2012.3.6
  • [Presentation] Structure Control of Hybrid Nanocarbon Materials based on Carbon Nanotubes and Carbon Nanowalls2012

    • Author(s)
      T. Sato
    • Organizer
      第42回フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム
    • Place of Presentation
      Tokyo
    • Year and Date
      2012.3.6
  • [Presentation] Hydrogen Effects on Chirality Distribution of Single-Walled Carbon Nanotube Grown from Various Kinds of Catalysts2012

    • Author(s)
      K. Murakoshi
    • Organizer
      第42回フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム
    • Place of Presentation
      Tokyo
    • Year and Date
      2012.3.6
  • [Presentation] 拡散プラズマプロセスによる単層カーボンナノチューブ及びグラフェンの構造制御合成と機能化2012

    • Author(s)
      加藤俊顕
    • Organizer
      第59回応用物理学関連連合講演会
    • Place of Presentation
      東京
    • Year and Date
      2012.3.15
  • [Presentation] シリコン酸化膜上へのグラフェン直接合成と成長機構2012

    • Author(s)
      加藤俊顕
    • Organizer
      第59回応用物理学関連連合講演会
    • Place of Presentation
      東京
    • Year and Date
      2012.3.15
  • [Presentation] プラズマCVD成長単層カーボンナノチューブのカイラリティ分布に対する水素ラジカルの効果2012

    • Author(s)
      村越幸史
    • Organizer
      第59回応用物理学関連連合講演会
    • Place of Presentation
      東京
    • Year and Date
      2012.3.15
  • [Presentation] Plasma Processing Challenge to High Performance Graphene Transistor Fabrication2012

    • Author(s)
      R. Hatakeyama
    • Organizer
      Third International Symposium on Plasma Nanoscience(招待講演)
    • Place of Presentation
      Johor (Malaysia and Singapore)
    • Year and Date
      2012.2.27
  • [Presentation] Non-Equilibrium Plasmas Ranging from Physics to Nanobio Science2012

    • Author(s)
      R. Hatakeyama
    • Organizer
      International Symposium for 25th Anniversary of H-mode Bifurcation Theory(招待講演)
    • Place of Presentation
      Fukuoka
    • Year and Date
      2012.1.24
  • [Presentation] カーボンナノチューブのプラズマプロセス2012

    • Author(s)
      畠山力三
    • Organizer
      プラズマ・核融合学会 第24回専門講習会「ナノテク時代のプラズマ技術」
    • Place of Presentation
      京都
    • Year and Date
      2012.1.12
  • [Presentation] Effects of Room Temperature Plasma Treatment on the Selective Edge Functionalization of Graphene Nano Ribbon2011

    • Author(s)
      T. Kato
    • Organizer
      第41回フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム
    • Place of Presentation
      八王子
    • Year and Date
      2011.9.5
  • [Presentation] Hybrid Nanomaterials of Carbon Nanowalls and Single-Walled Carbon Nanotubes Fabricated by Helicon Plasma CVD2011

    • Author(s)
      T. Sato
    • Organizer
      第41回フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム
    • Place of Presentation
      八王子
    • Year and Date
      2011.9.5
  • [Presentation] Effects of Catalysts Types on the Narrow-Chirality Distributed Single-Walled Carbon Nanotube Growth by Plasma CVD2011

    • Author(s)
      K. Murakoshi
    • Organizer
      第41回フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム
    • Place of Presentation
      八王子
    • Year and Date
      2011.9.5
  • [Presentation] Nanobio Plasma Processes in Solid-Gas-Liquid Interfacial Layers2011

    • Author(s)
      R. Hatakeyama
    • Organizer
      2011 Northeastern Asia Symposium on Plasma Fusion(招待講演)
    • Place of Presentation
      Daejon (Korea)
    • Year and Date
      2011.9.25
  • [Presentation] プラズマCVD中グラフェン合成におけるプラズマ効果2011

    • Author(s)
      加藤 俊顕
    • Organizer
      平成23年秋季第72回応用物理学会学術講演会
    • Place of Presentation
      山形
    • Year and Date
      2011.8.29
  • [Presentation] アンモニアプラズマによる室温グラフェンエッジ修飾及びドーピング2011

    • Author(s)
      加藤 俊顕
    • Organizer
      平成23年秋季第72回応用物理学会学術講演会
    • Place of Presentation
      山形
    • Year and Date
      2011.8.29
  • [Presentation] 拡散プラズマCVDにより合成した窒素ドーピング単層カーボンナノチューブを用いた薄膜トランジスタの電気特性2011

    • Author(s)
      安久津 誠
    • Organizer
      平成23年秋季第72回応用物理学会学術講演会
    • Place of Presentation
      山形
    • Year and Date
      2011.8.29
  • [Presentation] 弱磁場ヘリコンプラズマCVDによるカーボンナノチューブへのカーボンナノウォール修飾2011

    • Author(s)
      佐藤 拓矢
    • Organizer
      平成23年秋季第72回応用物理学会学術講演会
    • Place of Presentation
      山形
    • Year and Date
      2011.8.29
  • [Presentation] Chirality Distribution Control of Single-Walled Carbon Nanotubes by Gold-Catalyzed Plasma CVD2011

    • Author(s)
      K. Murakoshi
    • Organizer
      平成23年度電気関係学会東北支部連合大会
    • Place of Presentation
      多賀城
    • Year and Date
      2011.8.25
  • [Presentation] Selective Edge Functionalization of Graphene by Room Temperature Mild Plasma Treatment2011

    • Author(s)
      T. Kato
    • Organizer
      12th International Conference on the Science and Application of Nanotubes
    • Place of Presentation
      Cambridge (UK)
    • Year and Date
      2011.7.10
  • [Presentation] Growth Kinetics of Narrow-Chirality and -Length Distributed Single-Walled Carbon Nanotubes by Time-Programmed Plasma CVD2011

    • Author(s)
      T. Kato
    • Organizer
      12th International Conference on the Science and Application of Nanotubes
    • Place of Presentation
      Cambridge (UK)
    • Year and Date
      2011.7.10
  • [Presentation] Narrow-Chirality Distributed Growth of Single-Walled Carbon Nanotubes from Nonmagnetic Catalyst by Diffusion Plasma CVD2011

    • Author(s)
      K. Murakoshi
    • Organizer
      12th International Conference on the Science and Application of Nanotubes
    • Place of Presentation
      Cambridge (UK)
    • Year and Date
      2011.7.10
  • [Presentation] Narrow Diameter, Chirality, and Length Distribution Single-Walled Carbon Nanotubes Growth by Time-Programmed Plasma CVD2011

    • Author(s)
      T. Kato
    • Organizer
      International Conference on New Diamond and Nano Carbons 2011
    • Place of Presentation
      Matsue
    • Year and Date
      2011.5.16
  • [Presentation] Plasma-Structured and -Functionalized Nanocarbon Materials and Devices2011

    • Author(s)
      R. Hatakeyama
    • Organizer
      The 7th International Conference on Advanced Materials and Devices(招待講演)
    • Place of Presentation
      Jeju (Korea)
    • Year and Date
      2011.12.7
  • [Presentation] Glowth and Functionalization of High-Quality Graphene by Diffusion Plasma Processing2011

    • Author(s)
      T. Kato
    • Organizer
      21st Academic Symposium of MRS-Japan 2011(招待講演)
    • Place of Presentation
      Yokohama
    • Year and Date
      2011.12.19
  • [Presentation] プラズマ応用ナノカーボン新機能化研究の最前線2011

    • Author(s)
      R. Hatakeyama
    • Organizer
      第27回九州・山口プラズマ研究会(招待講演)
    • Place of Presentation
      柳川
    • Year and Date
      2011.11.6
  • [Presentation] プラズマCVDによるグラフェン合成と構造制御2011

    • Author(s)
      加藤俊顕
    • Organizer
      Plasma Conference 2011
    • Place of Presentation
      金沢
    • Year and Date
      2011.11.22
  • [Presentation] 非磁性触媒利用拡散プラズマCVDによる単層カーボンナノチューブの構造制御合成2011

    • Author(s)
      村越幸史
    • Organizer
      Plasma Conference 2011
    • Place of Presentation
      金沢
    • Year and Date
      2011.11.22
  • [Presentation] Synthesis and Device Application of Nitrogen-Doped Single-Walled Carbon Nanotubes by Plasma CVD2011

    • Author(s)
      M. Akutsu
    • Organizer
      24th International Microprocesses and Nanotechnology Conference
    • Place of Presentation
      Kyoto
    • Year and Date
      2011.10.24
  • [Presentation] 金触媒を用いたプラズマCVDによる単層カーボンナノチューブのカイラリティ分布制御合成2011

    • Author(s)
      村越幸史
    • Organizer
      応用物理学会プラズマエレクトロニクス分科会20周年(研究会創設25周年)記念特別シンポジウム
    • Place of Presentation
      名古屋
    • Year and Date
      2011.10.22
  • [Book] カーボンナノチューブ・グラフェンハンドブック2011

    • Author(s)
      畠山 力三
    • Total Pages
      28
    • Publisher
      コロナ社
  • [Book] Plasma Processing of Nanomaterials2011

    • Author(s)
      R. Hatakeyama
    • Total Pages
      219
    • Publisher
      CRC Press
  • [Patent(Industrial Property Rights)] 単層カーボンナノチューブの製造方法2011

    • Inventor(s)
      畠山 力三
    • Industrial Property Rights Holder
      東北大学
    • Industrial Property Number
      特許: 特願2011-225534
    • Filing Date
      2011年10月13日
  • [Patent(Industrial Property Rights)] グラフェン構造体及びそれを用いた半導体装置並びにそれらの製造方法2011

    • Inventor(s)
      畠山 力三
    • Industrial Property Rights Holder
      東北大学
    • Industrial Property Number
      特許: 特願2011-264157
    • Filing Date
      2011年12月01日

URL: 

Published: 2013-07-10  

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