KEKなど、グラフェンの可逆的な酸化手法を開発 - 高性能デバイスの実現に道

高エネルギー加速器研究機構(KEK)物質構造科学研究、米国ノースウェスタン大学、群馬大学、東京大学物性研究所、理化学研究所などで構成される国際共同研究チームは、炭素結晶であるグラフェンを可逆的に酸化する新しい方法を開発したことを発表した。

グラフェンは炭素原子1層が6角形格子を形成するハニカム格子状のシートで、電気伝導や熱伝導が高いなど、物理的・電子的に新奇な特性を示す物質だ。そのため次世代エレクトロニクスへの応用が期待されており、電子デバイスなどに利用されているシリコンの代替材料として注目されている。しかし、シリコンのような半導体とは異なり、純粋なグラフェンはバンドギャップがゼロのため電子的に電流をオフにすることが難しく、グラフェンの電子的性質の制御が求められていた。

グラフェンの電子的性質の制御には、1940年代に開発されたハンマー法によるグラフェン表面を酸化する方法が広く用いられている、強酸性の化学薬品を使うこと、できたグラフェンの酸化物が化学的に不均一で不可逆であることが問題となっていた。今回、研究チームでは、超高真空チェンバ内に酸素ガス(O₂)を導入し、タングステンのフィラメントを1500℃まで熱することで単体の酸素原子Oを発生させ、グラフェン格子に均一に入射、反応させることに成功した。

酸化されたグラフェン表面を走査型トンネル顕微鏡(STM)およびフォトンファクトリー(PF)のビームラインBL-13AのX線光電子分光を用いて調べたところ、均一性と熱的可逆性が確認されたという。

なお、研究チームでは、今回開発した制御法は、シリコンに代わるグラフェン基板による高性能デバイス探索への一歩となるものであり、高速で薄型軽量なフレキシブル電子デバイスへの応用が期待できると説明している。