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本研究は、これまで学術的な物性研究の興味の範疇に留まっていたグラファイト層間化合物のデバイス応用に向けた、絶縁基板上へのグラファイト層間化合物の集積化技術の確立を目的としている。独自に開発した金属蒸気を触媒として用いたCVD法を用いて絶縁基板上に直接成膜した厚膜グラファイトに各種原子を層間挿入した層間化合物基板を作成し、電気特性などの物性を評価する。更に、層間化合物を用いた平面型電子放出デバイスを試作し層間化合物を用いた新しいデバイス応用を実証することも目的としている。
最終年度は、最終目標である減圧熱CVD法で成膜したグラフェンへの金属ドーピングによる層間化合物の形成と低仕事関数化を試みたが、保有する熱CVD装置ではアルカリ金属蒸気が、石英管の非加熱部に拡散し析出してしまい、層間化合物を形成することが困難であることが判明し、低仕事関数化はできなかった。一方で、グラファイト/酸化膜/半導体積層構造の平面型電子放出デバイスから放出される電子のエネルギーを分析したところ、放出した電子は、グラファイトの仕事関数より2 eV程度高いエネルギーを有していることが判明した。これは、グラファイト/酸化膜/半導体積層構造の平面型電子放出デバイスの電子放出特性は、上部グラファイト電極の仕事関数に依存しないことを意味しており、上部グラファイト電極を層間化合物にする必要が無いことが判明した。これまで、平面型電子放出デバイスから放出される電子のエネルギー損失の多くは絶縁層である熱酸化膜での電子散乱により生じると考えられていたが、実は上部電極での電子散乱の寄与が支配的であり、グラファイト電極にすることで電子散乱が抑制され、電子放出効率が飛躍的に向上したことが分かった。
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