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グラフェンの製造方法、基板上に製造されたグラフェン、ならびに、基板上グラフェン

国内特許コード P150011210
掲載日 2015年1月28日
出願番号 特願2012-525791
登録番号 特許第5152945号
出願日 平成24年2月27日(2012.2.27)
登録日 平成24年12月14日(2012.12.14)
国際出願番号 JP2012054810
国際公開番号 WO2012118023
国際出願日 平成24年2月27日(2012.2.27)
国際公開日 平成24年9月7日(2012.9.7)
優先権データ
  • 特願2011-042781 (2011.2.28) JP
発明者
  • 野田 優
  • 高野 宗一郎
出願人
  • 国立研究開発法人科学技術振興機構
発明の名称 グラフェンの製造方法、基板上に製造されたグラフェン、ならびに、基板上グラフェン
発明の概要 基板上にグラフェンを製造する製造方法等を提供する。ここで、形成工程では、金属に炭素が固溶した固溶体が形成可能な固溶温度への加熱を行って、当該固溶体からなる固溶体層(505)を基板(103)上に形成する。そして、除去工程では、固溶温度への加熱を維持したまま固溶体層(505)から金属を除去することにより、基板(103)上でグラフェン(102)を成長させる。炭素を固溶させる溶媒には単一の元素からなる金属のほか、各種の合金も利用可能である。エッチングガスを供給することによって固溶体層(505)から金属を除去すれば、グラフェン(102)は、基板(103)に接することとなる。
従来技術、競合技術の概要



グラフェンとは、炭素原子がsp2結合で六角形状に並び、単層のシート状の結晶をなすもの、もしくはこのシートが複数積み重なったものをいい、優れた電気的特性、機械的強度を示すことから、各種デバイスへの応用が期待されている。





たとえば、グラフェンが有する導電性を、電子素子、半導体素子、電子回路、電気回路、集積回路等に利用するための研究が進められている。





すなわち、グラフェンを、液晶ディスプレイ、タッチスクリーン、太陽電池などの透明電極として利用したり、半導体集積回路やフレキシブル集積回路における配線、電極、端子として利用したり、電界効果トランジスタのソース、ドレイン間の電子や正孔の移動チャネルとして利用したり、などの応用が考えられる。





このためには、グラフェンを各種の基板(二酸化ケイ素基板や、二酸化ケイ素膜が表面に付されたケイ素基板等のほか、絶縁体、半導体、導体の多層構造からなるものを含む。)上で成長させる必要がある。そこで、基板上グラフェンの製造技術が種々提案されている。





たとえば、非特許文献1では、基板上に触媒としてニッケル薄膜を形成し、熱化学気相成長(Chemical Vapor Deposition;CVD)法により炭素をニッケル薄膜に固溶させた後、急冷してニッケル薄膜上にグラフェンを析出させた後、ニッケル薄膜をエッチングして、グラフェンを他の基板に転写することにより、パターン形状を有するグラフェンを基板上に形成して、透明電極とする技術が提案されている。

産業上の利用分野



本発明は、グラフェンの製造方法、基板上に製造されたグラフェン、ならびに、基板上グラフェンに関する。

特許請求の範囲 【請求項1】
金属に炭素が固溶した固溶体が形成可能な固溶温度への加熱を行って、当該固溶体からなる固溶体層を基板上に形成する形成工程、
前記固溶温度への加熱を維持したまま前記固溶体層から前記金属を除去する除去工程
を備えることを特徴とするグラフェンの製造方法。

【請求項2】
請求項1に記載の製造方法であって、
前記形成工程では、前記金属の酸化物を還元可能な還元剤を供給し、
前記除去工程では、エッチングガスを供給して、前記固溶体層に含まれる前記金属を除去する
ことを特徴とする製造方法。

【請求項3】
請求項2に記載の製造方法であって、前記形成工程では、
前記基板上に炭素を含む初期層を形成し、
前記形成された初期層上に前記金属を含む金属層を形成し、
前記形成された初期層と、前記形成された金属層と、を、前記固溶温度に加熱する
ことにより、前記固溶体層を形成する
ことを特徴とする製造方法。

【請求項4】
請求項2に記載の製造方法であって、前記形成工程では、
前記基板上に前記金属を含む金属層を形成し、
前記形成された金属層上に炭素を含む初期層を形成し、
前記形成された初期層と、前記形成された金属層と、を、前記固溶温度に加熱する
ことにより、前記固溶体層を形成する
ことを特徴とする製造方法。

【請求項5】
請求項2に記載の製造方法であって、前記形成工程では、
前記基板上に前記金属と炭素との混合体からなる初期層を形成し、
前記形成された初期層を前記固溶温度に加熱する
ことにより、前記固溶体層を形成する
ことを特徴とする製造方法。

【請求項6】
請求項3から5のいずれか1項に記載の製造方法であって、
前記形成工程において、前記初期層を所定のパターンで形成することにより、前記グラフェンを当該所定のパターンとする
ことを特徴とする製造方法。

【請求項7】
請求項3から5のいずれか1項に記載の製造方法であって、
前記形成工程において、前記初期層を、前記基板の表面の一部または全部を覆うように形成することにより、前記グラフェンを当該基板の表面の一部または全部を覆う均一な連続膜とする
ことを特徴とする製造方法。

【請求項8】
請求項1に記載の製造方法であって、
前記固溶体層における前記炭素の濃度分布のうち、前記基板の表面に平行な方向の濃度分布を不均一とすることにより、前記基板の表面に平行な方向に前記グラフェンを成長させる
ことを特徴とする製造方法。

【請求項9】
請求項3または4に記載の製造方法であって、
前記形成される初期層もしくは前記形成される金属層のいずれか少なくとも一方の厚さを不均一とすることにより、前記固溶体層における前記炭素の濃度分布のうち、前記基板の表面に平行な方向の濃度分布を不均一として、前記基板の表面に平行な方向に前記グラフェンを成長させる
ことを特徴とする製造方法。

【請求項10】
請求項9に記載の製造方法であって、
前記形成される金属層の厚さに勾配を設けることにより、当該勾配の方向のうち前記基板の表面に平行な成分の方向に前記グラフェンを成長させる
ことを特徴とする製造方法。

【請求項11】
請求項10に記載の製造方法であって、
前記金属層は、前記基板の表面に平行に広がる第1領域と、前記基板の表面に平行に広がる第2領域と、が、くびれを介して接する形状であり、前記第1領域は、前記金属層の厚さが、前記第2領域に比べて薄く、前記第2領域は、前記くびれから遠ざかると前記金属層の厚さが厚くなるように、前記金属層の厚さに勾配が設けられる
ことを特徴とする製造方法。

【請求項12】
請求項2に記載の製造方法であって、
前記供給されるエッチングガスの前記基板の表面に平行な方向の濃度分布を不均一とすることにより、前記基板の表面に平行な方向に前記グラフェンを成長させる
ことを特徴とする製造方法。

【請求項13】
請求項2に記載の製造方法であって、
前記基板は、二酸化ケイ素基板、もしくは、二酸化ケイ素膜を表面に付したケイ素基板であり、
前記金属は鉄、ニッケル、コバルトもしくはこれらを含む合金であり、
前記エッチングガスは塩素である
ことを特徴とする製造方法。

【請求項14】
基板の表面に平行な第1の方向に成長し、当該表面に直接接する線状グラフェンを、請求項8に記載の製造方法により製造し、
前記線状グラフェンから前記表面に平行な第2の方向に成長し、当該表面に直接接する面状グラフェンを、請求項8に記載の製造方法により製造する
ことを特徴とするグラフェンの製造方法。

【請求項15】
基板上グラフェンであって、
当該基板上グラフェンは、前記基板の表面に直接接し、
当該基板上グラフェンは、前記表面に平行な第1の方向に沿う結晶粒界を複数有し、
当該基板上グラフェンは、前記表面に平行な第2の方向に沿う結晶粒界を複数有し、
当該基板上グラフェンは、前記結晶粒界に囲まれる領域の内部のそれぞれにおいて単結晶であり、
前記第1の方向と、前記第2の方向と、は、直交し、
前記第1の方向に沿う結晶粒界の間隔は一定であり、
前記第2の方向に沿う結晶粒界の間隔は一定である
ことを特徴とする基板上グラフェン。

【請求項16】
請求項15に記載の基板上グラフェンであって、
前記基板は、単層もしくは多層であることを特徴とする基板上グラフェン。
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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出願権利状態 登録
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