Novel electronic properties of layered carbon nitride as a two-dimensional material

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層状窒化炭素は、窒素と炭素による二次元シートが層状に重なった物質で、水の水素と酸素への分解などの光触媒作用を示す半導体として注目されている。通常、層状窒化炭素は メラミン等の熱重合により粉末状態で得られるが、半導体としてエレクトロニクス分野に応用するためには薄膜合成が不可欠である。本研究では熱化学気相成長法（熱CVD）により層状窒化炭素薄膜を合成し二次元物質として発現する新しい電子物性を明らかにすることが目的である。熱CVDでの合成圧力を10から480kPaまでの範囲で変化させて薄膜を合成した。合成圧力を高くするとCNシートの配向性がよくなり、X線回折による(001)面のロッキンキングカーブから計算したモザイクスプレッド(CNシートの揺らぎの度合い)は480kPaでは7.8°まで下がった。一方で合成圧力を大気圧以下にすると結晶性は悪くなるが光感度は向上した。従来、薄膜の初期成長はアモルファス的な窒化炭素が観測されたが、合成の温度をパラメータとして複数実験を行った結果、成膜初期の段階でも層状窒化炭素が成長できるを確認した。これにより薄い膜(5nm以下)も合成が可能になった。窒化炭素薄膜の温度を変えたときの電気伝導の変化を調べた。200℃まで温度を上げて室温に戻すと導電率は元の値より下がる。前年度は、この原因をインターンレートされた水分（または酸素）が抜けたためと考えていたが、詳細に調べたところ、層状窒化炭素は持続性光伝導性（PPC）を示し、温度を100℃以上に上げることで導電率がもとに戻ることが原因であることを見出した。