課題番号（Application Number）：S-15-NR-0020
利用形態（Type of Service）：共同研究
利用課題名（日本語） ：熱CVDグラフェンのプロセスガス制御による層数制御技術の確立
Program Title (English) ：Establishment of control technique for the number of thermal CVD graphene film layers by process gas control.
利用者名（日本語） ：市川和典
Username (English) ：K. Ichikawa
所属名（日本語） ：神戸市立工業高等専門学校　電気工学科
Affiliation (English) ：Kobe city college of technology, Departmet of electrical engineering

１．概要（Summary ）
グラフェンはその層数により電気伝導度などの特性が変わることが報告されており、層数制御により更なるグラフェンの応用が広がる。層数制御の方法はこれまで多く報告されているが、今回我々はNi触媒の膜厚やグラフェンの形成時のプロセスガスを精密に制御することでグラフェンの層数制御を試みた。　
２．実験（Experimental）
低抵抗Si基板を有機洗浄し、熱酸化を行い基板上にSiO2層を100nm形成した。次にマグネトロンスパッタによりNiを200nm～800nmの膜厚で蒸着し、熱CVD装置によりグラフェンを成長した。1～20％の割合の水素と窒素の混合ガスを流しながら、成長温度の800℃まで35分間で加熱し、原料ガスであるアセチレンガスを50sccmの流量で5分間導入した。その後、アセチレンガスの供給を止め、種々の割合の水素と窒素の混合ガス又は窒素のみを流しながら100～11minの時間で100 ℃程度まで冷却しグラフェンを成長させた。グラフェンの層数、結晶構造、欠陥の評価を本ナノテクプラットホームの支援により励起波長532 nmのUVラマン分光測定によりその波形から解析を行った。
３．結果と考察（Results and Discussion）
①Ni触媒の厚さが厚いほどグラフェンの層数は薄くなる。
ラマン測定の結果200nmの厚さでは2層以上のグラフェンである多層グラフェンが形成され、800nmでは単層グラフェンが形成されることが分かった。これは一度Ni中に固溶した炭素がNi表面に析出するまでの距離が800nmは長く、200nmでは短くなるため、析出までの時間が変わり層数に変化が現れたと考えられる。
②冷却速度が速いほどグラフェンの層数は薄くなる。
冷却時間を早くするにつれて層数は薄くなり、最も早い冷却時間11minで冷却を行うと、単層グラフェンが形成された。これは析出するまでの時間が短く、少量の炭素が表面に析出したものと考えられる。
③昇温時の水素濃度により精密な層数制御が可能。
昇温時の水素を20％導入すると多層のグラフェンが形成され1％で昇温すると単層グラフェンが形成された。しかし、0％ではグラフェンは形成されずグラフェンの形成には少なくとも1％程度の水素濃度が必要であることが明らかとなった。
以上をまとめると層数制御にはNi触媒の膜厚と急冷が有効であり、より精密に層数制御をする場合、昇温時の水素濃度変化することにより可能となる。
４．その他・特記事項（Others）
本研究は科学研究費補助金若手B（25871039）および豊橋技術科学大学の高専連携教育研究プロジェクトのサポートにより遂行された。奈良先端大ナノテクノロジープラットフォームによる機器利用および実際の操作を担当していただいた奈良先端大物質創成科学研究科助教　野々口 斐之先生に感謝申し上げます。
５．論文・学会発表（Publication/Presentation）
(1) K. Ichikawa, H. Akamatsu, Y. Suda, Y. Nonoguchi and Y. Uraoka, Journal of Materials Science and Engineering B, Vol. 9-10 (2015) p.p. 341-346.
(2) K. Ichikawa, H. Akamatsu, Y. Suda, Irago Confernce 2015, 平成27年10月23日.
(3) K. Ichikawa, H. Akamatsu, Y. Suda, The 37th International Symposium on Dry Process, 平成27年11月5日.
(4) M. Ono, K. Ichikawa, H. Akamatsu, Y. Suda, 第21回高専シンポジウム, 平成28年1月23日.
６．関連特許（Patent）
なし