グラフェンの化学気相成長過程における核形成機構と成長端での原子取込み機構の解明

阐明石墨烯化学气相生长过程中生长边缘的成核机制和原子吸收机制

基本信息

批准号：
13J10382
负责人：
寺澤知潮
金额：
$ 1.41万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2013
资助国家：
日本
起止时间：
2013-04-01 至 2015-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

グラフェンの画期的な物性を産業的に応用するためには，大面積かつ単層の試料を再現性良く得ることが重要である．銅基板上での化学気相成長法はこのようなグラフェンの作製において有利と考えられている．本年度は前年度に引き続きグラフェンの化学気相成長法のその場観察の研究を行い，本研究の目的であるグラフェン化学気相成長法の機構の解明に寄与する結果を得た．また，産業応用に向けて成長条件の最適化の指針を提案した．以下に研究成果の内容について具体的に示す．本研究ではグラフェンの化学気相成長法の機構解明のために光学顕微鏡を用いた新たなその場観察の手法開発を試みてきた．グラフェンの成長時にグラフェンと銅基板の黒体輻射の強度差に注目するとグラフェン成長のその場観察が可能であることはすでに昨年度に報告した．同時に原料気体であるメタンの流量や基板の温度がグラフェン成長に大きな影響を与えることをその場観察によっても明らかにしてきた．本年度は近年注目されている成長条件である系中に残留している酸素濃度に着目して研究を行った．その結果，系中の酸素濃度が高いほどグラフェンの核発生や成長速度が遅くなる一方で，グラフェンが除去される速度は高くなることが明らかになった．以上の結果を総括し，メタンからのグラフェン成長前駆体の生成と残留酸素による前駆体の消費の競合によってグラフェンの成長様式が決定されるという機構を考察した．さらに考察を進め，グラフェンの化学気相成長法における成長条件としては系中に不純物として存在する酸素の量を確定させた後に最後にメタン流量を決定するべきであるという指針を提案した．以上の内容は応用物理学会において講演奨励賞を受賞するとともに，Nature Communications誌およびApplied Physics Express誌に掲載された．

为了在工业上应用石墨烯的突破性物理特性，重要的是要获得具有出色可重复性的大面积单层样品。化学蒸气在铜底物上的沉积被认为是这种石墨烯的制造中的有利作用。今年，我们在上一年之后对石墨烯化学蒸气沉积法进行了原位观察，并发现了有助于阐明石墨烯化学蒸气沉积法机理的结果，这是本研究的目的。此外，提出了针对工业应用的优化增长条件的指南。研究结果的细节如下所示。在这项研究中，我们试图使用光学显微镜开发一种新的原位观察方法来阐明石墨烯化学蒸气沉积的机理。我们已经报道说，去年可以通过注意石墨烯生长期间的黑体辐射与铜底物之间的黑体辐射之间的强度差异来实现石墨烯生长的原位观察。同时，原位观察结果还表明，甲烷，原始气体和底物温度的流速对石墨烯的生长有重大影响。今年，我们进行了研究，重点是该系统中剩余的氧气浓度，近年来一直在吸引人们的注意力。结果，发现系统中的氧气浓度越高，石墨烯的成核和生长速度慢，而去除石墨烯的速率越快。上述结果总结了，在石墨烯生长模式的机制中取决于甲烷生长前体的形成与由于残留氧引起的前体的消耗之间的竞争。我们进一步讨论了一项指南，即在确定氧气量作为系统中的杂质之后，应确定化学蒸气沉积方法中石墨烯的生长条件。以上是在应用物理学会上获得的演讲鼓励奖，并发表在《自然传播与应用物理快递》杂志上。