課題番号 ：S-16-NM-0038
利用形態 ：機器利用
利用課題名（日本語） ：Ga触媒を用いた室温合成グラフェンの結晶性評価
Program Title (English) ：Evaluation of graphene crystallinity synthesized at room temperature
利用者名（日本語） ：藤田淳一
Username (English) ：Jun-ichi. Fujita
所属名（日本語） ：筑波大学数理物質科学研究科
Affiliation (English) ：Graduate School of Pure and Applied Sciences, University of Tsukuba

１．概要（Summary）
グラフェンの核形成には、一般的には1000℃を超える高温が必要である。しかし、一度グラフェン核が形成されると、核周囲からのエッジ成長は、室温に於いても進行することが判明した。同時に、メタンに対するGaの触媒作用も、グラフェンを成長させるために必要な原子状炭素が生成されることが判明した。このグラフェン核周囲のエッジ成長を、12Cと13Cメタンを用いた炭素同位体ラベリング法を用いて室温でのグラフェン成長の検証を行った。

２．実験（Experimental）
炉管内に5%希釈の13Cメタンとアルゴンガスを導入し1050℃グラフェン核を形成した。次に、試料を室温まで冷却し、その後50~300℃の設定温度において、12Cメタンを用いてグラフェンエッジ成長を行った。サファイヤ基板からGaを除去した後に、顕微ラマン分光装置を用いてラマンマッピング測定を実施し、低温での12Cおよび13Cグラフェンの成長領域の特定と結晶性評価を行った。

３．結果と考察 （Results and Discussion）
図１に100℃におて12Cメタンによるグラフェンエッジ成長を行った試料の顕微ラマン測定結果を示す。図1において、(a)は試料のSEM像、(b)は13C核周囲の典型的なスペクトル（上段）と核周囲の12Cグラフェン領域のスペクトル（下段）、(c)は13Cグラフェンの2D/G比マップであり、(d)は12Cグラフェンの2D/G比マップを示す。高温で成長さえたグラフェン核はスパイラル成長をしており、これが基板上に点在している。一方で、12Cメタンは100℃でのみ供給しており、(d)からほぼ単層のグラフェン膜が基板全面を覆うようにステップに沿って成長している事がわかった。

Figure 1 (a)SEM image of the specimen, (b)Typical Raman spectrum for the nuclei grew with 13C-methane and that at the edge growth are grew with 12C-mathane, (c) 2D/G Raman Map for 13C-graphene, and (d) 2D/G Raman map for 12C-graphene.

４．その他・特記事項（Others）
本研究はJSPS科研費23246063, 15K13717, 15H02195の助成を受けたものです。
レーザーラマン顕微鏡の使用に際し、NIMS担当者の方から装置の使用方法などについて丁寧にご教示いただきました。

５．論文・学会発表（Publication/Presentation）
(1) “液体ガリウム触媒を用いた低温におけるグラフェンエッジ成長”、蛭川彩夏,荒木稜佑,藤田淳一
朱鷺メッセ,2016年9月13日,13p-P5-26A.
(2) “Near Room Temperature Graphene-Edge Growth with Diluted Methane Cvd and Molten Gallium Catalys”, J. Fujita, et al. PSROC2017, Jan.16- Jan.18, 2017 TamKang, Taiwan, Invited.

６．関連特許（Patent）
なし