SAM及び電子線描画を用いた微細パターン・加工によるグラフェン電子状態制御

本研究の目的は、パターン化された自己組織化単分子(SAM)膜を用い、グラフェンの任意の位置での、任意の電子状態制御を実現することである。本年度は、SAM分子の電気双極子によってグラフェンのキャリア制御が可能であるという昨年度の分光測定結果をもとに、電界効果トランジスタ(FET)デバイスの作製・評価によるグラフェンキャリア制御の実証、SAMのパターン化によるグラフェンの位置選択的な物性制御、及び、これらを融合したグラフェンp-n接合デバイスの作製を行った。シランカップリング剤[NH_2C6H_4-(OCH_3)_3]を用いてSiO_2基板上にNH_2C_6H_4-SAMを作製し、この基板上にへき開法によってグラフェンを転写した。続いて、フォトリソグラフィーと熱蒸着法によってソース・ドレイン電極とバックゲート電極を付け、グラフェン/SAM構造を有するFETデバイスを作製した。このFETデバイスの伝達特性曲線を真空中にて測定した結果、SAMによる基板修飾を反映し、グラフェン上での電子キャリア誘起(2～4×10^<12>/cm^2)が確認された。これは、昨年度のラマン分光結果と一致する傾向である。次いで、フォトリソグラフィー手法を応用してSAM修飾領域をパターン化することにより、グラフェン/パターン化SAM試料を作製し、ラマンスペクトルのマッピングを行った。この測定により、SAM上のグラフェンに選択的に電子キャリアが誘起されていることが明らかとなった。更に、これらの手法を融合させ、SAMにより位置選択的にキャリア制御されたグラフェンデバイスの作製・評価を行ったところ、p-n接合の形成が観測された。以上の結果は、基板の分子修飾という簡便かつ自由度の高い手法により、任意の位置でのグラフェンのキャリア制御を実証したものであり、グラフェンの電子デバイス応用の観点からも重要な成果であると考えられる。

本研究の目的は、パターン化された自己組織化単分子(SAM)膜を用い、グラフェンの任意の位置での、任意の電子状態制御を実現することである。本年度は、SAM分子の電気双極子によってグラフェンのキャリア制御が可能であるという昨年度の分光測定結果をもとに、電界効果トランジスタ(FET)デバイスの作製・評価によるグラフェンキャリア制御の実証、SAMのパターン化によるグラフェンの位置選択的な物性制御、及び、これらを融合したグラフェンp-n接合デバイスの作製を行った。シランカップリング剤[NH_2C6H_4-(OCH_3)_3]を用いてSiO_2基板上にNH_2C_6H_4-SAMを作製し、この基板上にへき開法によってグラフェンを転写した。続いて、フォトリソグラフィーと熱蒸着法によってソース・ドレイン電極とバックゲート電極を付け、グラフェン/SAM構造を有するFETデバイスを作製した。このFETデバイスの伝達特性曲線を真空中にて測定した結果、SAMによる基板修飾を反映し、グラフェン上での電子キャリア誘起(2～4×10^<12>/cm^2)が確認された。これは、昨年度のラマン分光結果と一致する傾向である。次いで、フォトリソグラフィー手法を応用してSAM修飾領域をパターン化することにより、グラフェン/パターン化SAM試料を作製し、ラマンスペクトルのマッピングを行った。この測定により、SAM上のグラフェンに選択的に電子キャリアが誘起されていることが明らかとなった。更に、これらの手法を融合させ、SAMにより位置選択的にキャリア制御されたグラフェンデバイスの作製・評価を行ったところ、p-n接合の形成が観測された。以上の結果は、基板の分子修飾という簡便かつ自由度の高い手法により、任意の位置でのグラフェンのキャリア制御を実証したものであり、グラフェンの電子デバイス応用の観点からも重要な成果であると考えられる。