金属ピンが設けられたグラフェンシートを備える構造の製造方法、その方法により得られる構造、およびその構造の利用
【課題】高い結晶品質のグラフェンシートの製造方法を提供し、当該方法の実施コストを工業規模の利用に適合させる。
【解決手段】空気および誘電材料から選択された誘電媒体により隔離された複数の金属ピンが一方の面に設けられたグラフェンシートを備える構造を製造する方法において、ａ）誘電材料からなる膜上に配置されるか膜内に一体化された複数の金属ピン上に、当該金属ピンを触媒とする気相触媒成長によってグラフェンシートを合成し、ｂ）必要に応じて前記膜を除去する。
【解決手段】空気および誘電材料から選択された誘電媒体により隔離された複数の金属ピンが一方の面に設けられたグラフェンシートを備える構造を製造する方法において、ａ）誘電材料からなる膜上に配置されるか膜内に一体化された複数の金属ピン上に、当該金属ピンを触媒とする気相触媒成長によってグラフェンシートを合成し、ｂ）必要に応じて前記膜を除去する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、グラフェンシートの製造に関する。
【０００２】
特に本発明は、グラフェンシートを含む構造の製造を可能にする方法に関する。当該構造においてはグラフェンシートの一方の面に複数の金属ピンが設けられ、当該複数の金属ピンは、空気および誘電材料から選択された誘電媒体によって隔離されている。
【０００３】
本発明は、当該方法により得られる構造、および当該構造の利用にも関する。
【０００４】
本発明に係る構造は、例えば以下に掲げる多様な技術分野において利用されうる。
・マイクロおよびナノエレクトロニクス（例えば電界効果型トランジスタまたは単一電子トランジスタの製造、もしくは集積回路構造の接続）
・マイクロおよびナノエレクトロニクスの工学応用（例えばマイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）およびナノ電気機械システム（ＮＥＭＳ）と称されることの多いマイクロメトリックおよびナノメトリック電気機械共振器の製造）
・スピントロニクス
・光起電力技術
・発光ダイオードディスプレイ
【０００５】
この構造における複数の金属ピンを誘電材料によって隔離すると、ある種の構造における中間製品として利用することも可能である。当該構造はグラフェンシートを備え、その一方の面に誘電材料からなる多孔質膜が設けられている。当該構造はとりわけ水素の貯蔵、燃料電池、およびマイクロバッテリにおいて有用である。
【背景技術】
【０００６】
グラフェンは、ハニカム六方晶構造を備えた二次元炭素結晶である。この結晶は、現在多くの公的および私的研究所において重要視されている、非常に驚くべき特性を備えている。
【０００７】
先ずグラフェンは、他に類を見ない電子の移動度を有し、室温において２０ｍ２Ｖ−１ｓ−１にもなる。比較すると、アンチモン化インジウムの室温における電子移動度はその１／２．５であり、シリコンは１／１３であり、銀は１／２５００である。
【０００８】
さらにグラフェンは、その厚さが炭素原子１つ分のため透明であり、化学的に極めて安定しており、非常に軽量であるが、機械的強度は極めて高い（鋼の２００倍を超える）。
【０００９】
グラフェンシートを合成するための技法としては、グラファイト結晶のマイクロメカニカル剥離、酸化グラフェンの電気化学的還元、カーボンナノチューブの開放、金属基板上における触媒によるグラフェンの成長、炭化珪素の凝華等が知られている。
【００１０】
これらの技法のうち金属基板上における触媒によるグラフェンの成長は、工業標準に適する最も有望な方法と目されており、産業規模でグラフェンを合成し、マイクロまたはナノ電子素子や、マイクロまたはナノ電気機械素子等への組み込みを可能にする（例えば、非特許文献１参照）。
【００１１】
なぜなら当該技法によれば、高い結晶品質のグラフェンの試料を生産可能であるためである。この結晶品質は、単結晶ドメインが数百マイクロメートルにわたり広がっていること、マクロなスケールでは単一の結晶配向を呈することにより特徴付けられる。またセンチメートル単位の表面を備えるグラフェンの試料を得ることも可能であるが、これは現時点で提案されている他のグラフェン製造技法によっては不可能である。
【００１２】
しかしながら、金属基板上で触媒成長させるグラフェンの製法には大きな欠点がある。それは次のような場合に、形成を行なった金属基板上から絶縁支持体へグラフェンシートを移し取ることを要する点にある。第１にこのシートに光学的な特徴や電気的な特徴を与えようとする場合（すなわちシートの光学的特性や電気的特性を研究しようとする場合）、第２にこのシートを前述の素子に組み込もうとする場合である（例えば、非特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１３】
【非特許文献１】K. S. Kim他、Nature、2009年、第457巻、706〜710頁
【非特許文献２】W. Regan他、Applied Physics Letters、2010年、第96巻、113102頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
ところが前述のシートの移し取りには、化学的エッチング溶液および樹脂の使用が必要な一連の操作が伴い、内的すなわち結晶格子における欠陥と外的な欠陥（曲率、極性不純物等）をグラフェンに生じさせ、材料特性を大きく損なわせる。
【００１５】
また前述の素子への組み込みを目的としてグラフェンシートに電気的接点を設けるためにはリソグラフィ、エッチング、および配線といった追加的操作が必要となり、シートの劣化リスクが更に高まる。
【００１６】
したがって発明者らは、高い結晶品質のグラフェンシートの製法を提供しようとするものである。すなわちその後の利用、とりわけ特性解析、マイクロまたはナノ電子素子やマイクロまたはナノ電気機械素子等への組み込みのために、異なる基板間にシートを移し取ることを一切必要とせず、工業標準に適する製法である。
【００１７】
また発明者らは、この方法の実施コストを産業規模の利用に適合させようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記の目的を達成する本発明の態様の一つは、空気および誘電材料から選択された誘電媒体により隔離された複数の金属ピンが一方の面に設けられたグラフェンシートを備える構造を製造する方法であって、ａ）誘電材料からなる膜上に配置されるか膜内に一体化された複数の金属ピン上に、当該金属ピンを触媒とする気相触媒成長によってグラフェンシートを合成し、ｂ）必要に応じて前記膜を除去することを特徴とする。
【００１９】
したがって本発明によれば、グラフェンシートの一方の面に複数の金属ピンが設けられたグラフェンシートを備える構造を、グラフェンシートの基板からの移し取りを行なうことなく得ることができる。グラフェンシートが金属ピン上に直接合成されるためである。
【００２０】
金属ピンは誘電材料からなる膜上に配置されるか膜内に一体化されるため、一度グラフェンシートが合成されてしまえば、当該膜は除去しても残存させても構わない。すなわち、金属ピンが空気により隔離された構造を得るのであれば膜を除去し、金属ピンが誘電材料により隔離された構造を得るのであれば膜を残存させる。
【００２１】
したがってこのグラフェンシートは、光学的な特徴や電気的な特徴を与えやすい。
【００２２】
当該構造は、マイクロまたはナノ電子素子や、マイクロまたはナノ電気機械素子等に直接組み込むことができる。当該構造が備える金属ピンを電気接点や電極として用いることができるためである。
【００２３】
本明細書で用いる「誘電材料」という表現は、電気分野において通常与えられている意味、すなわち電流を導通しない材料を表わす（例えば、Physics Aide-Memoire: for the use of pupils in higher scientific and technical teachings、B. Yavorski、A. Detlaf共著、Mir, Moscow刊、1975年、963頁を参照）。すなわち「誘電材料」とは「電気絶縁材料」と同義である。
【００２４】
上記のグラフェンシートは気相触媒成長により合成される。この技法が有する利点については前述の通りである。膜上に配置されるか膜内に一体化された金属ピンは合成時における触媒として機能する。
【００２５】
本発明においては、金属ピンを気相の炭素種に曝すものであれば、以下に掲げるいかなる技法によってもグラフェンの気相触媒成長を実施できる。
・通常ＣＶＤの略称で示される化学蒸着、例えば常圧ＣＶＤ（ＡＰＣＶＤ）、低圧ＣＶＤ（ＬＰＣＶＤ）、超高真空ＣＶＤ（ＵＨＶＣＶＤ）、エアゾール補助ＣＶＤ（ＡＡＣＶＤ）、直接液体噴射ＣＶＤ（ＤＬＩＣＶＤ）、急熱ＣＶＤ（ＲＴＣＶＤ）、開始ＣＶＤ（ｉ−ＣＤＶ）、原子層ＣＶＤ（ＡＬＣＶＤ）、熱線ＣＶＤ（ＨＷＣＶＤ）、プラズマ促進ＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ）、遠隔プラズマ促進ＣＶＤ（ＲＰＥＣＶＤ）、マイクロ波プラズマ促進ＣＶＤ（ＭＷＰＣＶＤ）等。
・通常ＰＶＤの略称で表示される物理蒸着、例えば陰極スパッタＰＶＤ、真空蒸発ＰＶＤ、イオンビームスパッタＰＶＤ、例えば陰極のアークＰＶＤ、通常ＰＬＤの略称で示されるパルスレーザ蒸着等。
・通常ＨＰＣＶＤの略称で示される物理化学混成蒸着。
【００２６】
しかしながらグラフェンの触媒による成長は化学蒸着によって実施されることが望ましい。この技法によれば、得られるグラフェンシートの結晶品質を特に良好に制御できるためである。
【００２７】
この場合、金属ピンが設けられた誘電材料膜をＣＶＤ反応器のチャンバ内においてガス流に曝すことによりグラフェンの触媒成長が実施される。ガス流は少なくとも一種の炭化水素を含む。炭化水素は飽和であるか不飽和であるかを問わず、直鎖、分岐鎖、環状であるかを問わない。炭化水素の例としてはメタン（ＣＨ４）、エタン（Ｃ２Ｈ６）、プロパン（Ｃ３Ｈ６）、ブタン（Ｃ４Ｈ１０）、アセチレン（Ｃ２Ｈ２）、エチレン（Ｃ２Ｈ４）、プロピレン（Ｃ３Ｈ６）、プロピン（Ｃ３Ｈ４）、ブチレン（Ｃ４Ｈ８）、ブチン（Ｃ４Ｈ４）、ブタジエン（Ｃ４Ｈ６）、ベンゼン（Ｃ６Ｈ６）、トルエン（Ｃ７Ｈ８）が挙げられる。ガス流は、必要に応じて水素や水素化合物、および／または中性ガスと混合してもよい。水素化合物の例としては金属ピンを脱酸するＮＨ３が挙げられる。中性ガスの例としては窒素、アルゴン、ヘリウムが挙げられる。化学蒸着は、２００℃から２０００℃の温度範囲において、また超高真空（１０−６Ｐａ以下）から大気圧（１０１．３２５ｋＰａ）の圧力範囲で行なわれる。
【００２８】
こうしてガス流中に存在する炭化水素が炭素種に分解されると、金属ピンに付着してその表面全体に拡散し、グラフェンの核が形成される（核生成）。これらが拡大し結合し終えると、連続したグラフェンシートが形成される。
【００２９】
上記のガス流は、少なくとも一種のＣ１〜Ｃ３炭化水素、より望ましくはメタン、アセチレン、エチレンのようなＣ１炭化水素またはＣ２炭化水素を含むことが望ましい。ガス流は水素と混合することが望ましい。例えば炭化水素／水素の比を１〜１０とする。化学蒸着は８００℃から１２００℃の温度範囲で行われることが望ましい。
【００３０】
また化学蒸着は、大気圧より低く１０−６Ｐａより高い圧力範囲で行なわれる低圧化学蒸着（ＬＰＣＶＤ）を用いることが望ましい。
【００３１】
チャンバ内の温度および圧力、脱酸素剤の流れ、金属ピンの脱酸素に要する時間、金属ピンの太さ、および炭化水素の流れ等の条件によるが、グラフェンシートの形成に要する時間は一般に１〜２０分である。
【００３２】
金属ピン上におけるグラフェンシートの形成は、ラマン分光法によってモニタすることができる。具体的には、グラフェンが有する２つの分光特性のピーク、すなわち１５８０ｃｍ−１におけるピークＧ、および２７００ｃｍ−１におけるピーク２Ｄの出現を確認する。
【００３３】
前述のように、グラフェンシートは触媒成長によって形成するのが望ましく、誘電材料膜上に配置されるか膜内に一体化された金属ピンが成長時の触媒として機能するため、金属ピンはそのメッシュパラメータがグラフェンのメッシュパラメータに一致する金属または合金からなることが望ましい。金属または合金のメッシュパラメータとグラフェンのメッシュパラメータの相違が２％を超えなければ、両者は一致しているとみなしうる。
【００３４】
グラフェンのメッシュパラメータは２．４５Åである。したがってメッシュパラメータが２．４０１Å以上２．４９９Å以下の金属または合金から金属ピンが形成されることが望ましい。
【００３５】
このようなメッシュパラメータを有する金属の例としては、ニッケル、銅、コバルト、ルテニウム、パラジウム、イリジウム、および白金が挙げられる。
【００３６】
これらの中でもニッケルが特に望ましい。コストが低く、融点が高く（１４５５℃）、メッシュパラメータがグラフェンとよく一致するためである。
【００３７】
上記において例示した金属や合金からなる金属ピンは、上記のステップａ）における触媒としての機能のみを意図して用いているものではない。グラフェンシートの形成に用いられるあらゆる技法を想定していることは明らかである。
【００３８】
本発明によれば、誘電材料からなる膜上または膜内において金属ピンを任意に分布させることができる。同様に、金属ピンの寸法および間隔も任意とすることができる。
【００３９】
しかしながら金属ピンの分布は規則的とすることが望ましい。特に互いに平行な複数の縦横列が直交しつつ並んでいる格子を形成することが望ましい。
【００４０】
この場合、格子が等間隔であることが望ましい。すなわち隣接するピンの間隔が一定または略一定であることが望ましい。
【００４１】
また誘電材料膜の面に平行な向きにおける金属ピンの最大寸法は、ナノメートルサイズであることが望ましい。この寸法は、金属ピンが円筒形状である場合の直径に相当する。隣接する金属ピンの間隔もナノメートルサイズであることが望ましい。
【００４２】
本明細書において「ナノメートル」とは、少なくとも１ナノメートル以上で、１マイクロメートル未満の寸法を指す。
【００４３】
本発明においては、支持体に形成された複数の開口を金属または合金で充填することにより前記金属ピンを作製することが望ましい。
【００４４】
ここで上記の開口は規則的に分布していることが望ましい。特に互いに平行な複数の縦横列が直交しつつ並んでいる格子を形成することが望ましい。当該格子は等間隔であること、すなわち隣接する開口の間隔が一定または略一定であることが望ましい。
【００４５】
また支持体の面に平行な向きにおける開口の最大寸法は、ナノメートルサイズであることが望ましい。隣接する開口の間隔もナノメートルサイズであることが望ましい。
【００４６】
ここで上記の支持体は上記の誘電材料膜によって形成されており、複数の開口は膜に形成された複数の孔に対応しており、開口が金属または合金で充填される前において複数の孔は格子を形成しており、膜の面に平行な向きにおける孔の最大寸法はナノメートルサイズであることが望ましい。
【００４７】
この膜はアルミナ、シリカ、化学式ＳｉｖＯｗＣｘＨｚまたはＳｉｖＯｗＣｘＮｙＨｚ（ｖ、ｗ、ｘ、ｙ、およびｚは全て０ではない）で示される材料、重合体、または連鎖共重合体の膜であることが望ましい。重合体の例としては、ポリカーボネートやポリエチレンテレフタレートが挙げられる。連鎖共重合体の例としては、ポリメチルアクリレートとポリエチレンオキシドの共重合体（ＰＰＭＡ／ＰＥＯ）が挙げられる。
【００４８】
この種の膜は市販されているものもある（例えば、ポリカーボネートおよびポリエチレンテレフタレートの膜）。あるいはアルミナ膜の場合、陽極酸化処理法を用いて直径が１０〜５００ｎｍの孔を高密度（１０９〜１０１２個／ｃｍ３）に形成し、次いでリソグラフィまたはフォトリソグラフィ、選択性エッチングやＵＶ補助ナノプリンティング等の公知技法を実施することにより作製することができる。
【００４９】
誘電材料膜に形成される孔は貫通孔であるため、孔を電着により充填することが可能である。電着は低コストでありながら高い付着選択性を有する技法である。
【００５０】
化学蒸着（ＣＶＤ）、原子層蒸着（ＡＬＤ）、プラズマ促進原子層蒸着（ＰＥＡＬＤ）、有機金属化学蒸着（ＭＯＣＶＤ）といった他の技法を孔の充填に用いることも可能である。
【００５１】
本発明の別の態様は、上記の方法によって得られる構造である。この構造は、空気および誘電材料から選択された誘電媒体により隔離された複数の金属ピンが一方の面に規則的に配置されたグラフェンシートを備えることを特徴とする。
【００５２】
本発明の別の態様は、この構造の利用である。前述のように、マイクロまたはナノ電子素子、マイクロまたはナノ電気機械素子、スピントロニクス素子、光起電素子、または発光ダイオード表示装置の製造にこの構造を利用することができる。
【００５３】
金属ピンを隔離する誘電媒体が誘電材料である場合は、誘電材料からなる多孔質膜が一方の面に設けられたグラフェンシートを備える構造の製造にこの構造を利用することができる。この場合においては、上記の構造から金属ピンを除去することになる。
【００５４】
こうして得られた構造は、水素の貯蔵、燃料電池、およびマイクロバッテリ用の装置を生産するにあたって特に有用である。
【００５５】
本発明の他の特徴および利点については、本発明の方法に係る実施例に関連し、添付の図面を参照する以下の説明から明らかになるであろう。
【００５６】
説明中で用いられている「ナノピン」、「ナノ孔」、「ナノワイヤ」という語は、円筒形状を有してその直径がナノメートルサイズであるピン、孔、ワイヤを指す。
【００５７】
上記の例は本発明の趣旨を例示的に説明するものに過ぎず、当該趣旨に対する限定的な解釈を何ら与えるものではないことは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】（Ａ）〜（Ｄ）は、本発明の第１の実施形態に係る方法を模式的に示す図である。当該方法は、グラフェンシートを備える構造を製造するものであり、当該構造はグラフェンシートの一方の面に複数の金属ナノピンの格子が等間隔で設けられ、金属ナノピン同士は空気により隔離されている。
【図２】（Ａ）〜（Ｃ）は、本発明の第２の実施形態に係る方法を模式的に示す図である。当該方法は、グラフェンシートを備える構造を製造するものであり、当該構造はグラフェンシートの一方の面に複数の金属ナノピンの格子が等間隔で設けられ、金属ナノピン同士は誘電材料により隔離されている。
【図３】グラフェンシートを備える構造を模式的に示す図である。当該構造はグラフェンシートの一方の面に誘電材料からなる多孔膜が設けられており、図２の（Ｃ）に示す構造より得られるものである。
【発明を実施するための形態】
【００５９】
以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能な大きさとするために縮尺を適宜変更している。
【００６０】
（第１の実施形態）
まず本発明の第１の実施形態に係る方法を図１の（Ａ）〜（Ｄ）を参照して説明する。本実施形態は図１の（Ｄ）に示すグラフェンシート１１を備える構造１０を製造するためのものである。グラフェンシート１１は、複数の金属ナノピン１２が等間隔に並んだ格子と一体化されている。具体的には、複数の金属ナノピン１２はニッケルからなり、空気により隔離されている。
【００６１】
本実施形態においては、本発明の方法は以下に掲げる４つのステップを備えている。
１）アルミニウムシートを陽極酸化処理することによって、ナノ貫通孔が等間隔に並んだ格子を備えるアルミナ膜を作製する。
２）電着によって上記アルミナ膜のナノ貫通孔内にニッケルナノワイヤを作製する。
３）ＬＰＣＶＤによって上記ナノワイヤの表面にグラフェンシートを合成する。
４）化学エッチングによってアルミナ膜を除去する。
各ステップについて、以下詳述する。
【００６２】
（ナノ貫通孔を有するアルミナ膜の作製）
先ず厚さ１μｍのアルミニウムシートが、中性雰囲気（アルゴン、ヘリウム、窒素）のもとで２時間にわたり５００℃でアニーリングを施される。これは金属粒子の粒度を高め、後続する陽極酸化処理時においてナノ貫通孔を成長させるための均一な条件を得るためのものである。
【００６３】
このシートは、次いで予め６０℃まで加熱された５％ソーダ溶液に３０秒間浸されて酸洗いされ、更に１．５Ｍの硝酸水溶液に１０秒間浸されて中和される。
【００６４】
次いでアルミニウムシートの一方の面が電解研磨を施される。電界研磨は、標準的な電解研磨浴槽（６５％過塩素酸／エタノール／２−ブトキシエタノール／水）において、陽極となるこのアルミニウムシートとグラファイト板からなる対電極との間に４０Ｖの直流電圧を印加することによって、常温で２０秒間にわたり実施される。こうして電解研磨された面の平均粗さは、３μｍ２の抜き取り面積について約３ｎｍである。
【００６５】
次いでこの面が第１の陽極酸化処理を施される。陽極酸化処理は、０．５Ｍシュウ酸の３％水溶液の浴槽において、陽極となるアルミニウムシートと白金グリルからなる対電極との間に４０Ｖの直流電圧を印加することによって、１５℃で１５時間にわたり実施される。
【００６６】
この陽極酸化処理中に形成されるアルミナ層は、ウェットエッチングによって除去される。ウェットエッチングは、０．２モル／ｌのクロム酸と０．４モル／ｌのリン酸を含む水溶液を用いて６０℃で実施される。
【００６７】
次いで陽極酸化処理を受けたアルミニウムシートの面が、第２の陽極酸化処理を施される。第２の陽極酸化処理は、第１の陽極酸化処理と同じ条件下で、５時間にわたり実施される。
【００６８】
こうしてナノ貫通孔１５の格子を備えるアルミナ膜１４が得られる。図１の（Ａ）にその横断面を示す。これらナノ貫通孔の平均直径は約７０ｎｍであり、ほぼ一定の距離（約１１０ｎｍ）だけ互いに離間している。
【００６９】
（ニッケルナノワイヤの作製）
ニッケルナノワイヤは電着によって作製される。この電着を実行する前に、アルミナ膜の一方の面に現れるナノ貫通孔の端部を導電性にする必要がある。
【００７０】
このため、先ず厚さ１０ｎｍの金被膜が真空蒸着によりアルミナ膜の一方の面に蒸着される。なお当該面に現れるナノ貫通孔の端部においてのみ蒸着がなされるようにマスクを用いる。
【００７１】
電解浴槽中において、ナノ貫通孔の端部を被覆する金の被膜によって形成される作用電極と、ステンレス鋼板からなる対電極との間に１０Ｖの直流電圧を印加することによって、２０℃で９０分間にわたり電着が実施される。電解浴槽は、塩化ニッケル（ＮｉＣＬ２）と水の混合物（１／１、ｖ／ｖ）２００ｇ／ｌと、硫酸ニッケル（ＮｉＳＯ４）と水の混合物（１／７、ｖ／ｖ）１２０ｇ／ｌと、ホウ酸５０ｇ／ｌから構成され、ソーダを添加することによってそのｐＨが予め４に調整される。
【００７２】
過剰に付着したニッケル、すなわちアルミナ膜のナノ貫通孔の外側に形成されたナノワイヤの一部に相当するニッケルは、選択的機械／化学研磨によって除去される。研磨除去は、酸化剤としての過酸化水素の０．１％溶液と、研磨剤としての平均粒径１８０ｎｍのアルミナ粒子の４．６重量％懸濁液とを用いて実施される。線形研磨速度は、１０ｃｍ／分であり、加えられる圧力は、５．１ｐｓｉ（３４．４７ｋＰａ）である。各パス毎の研磨時間は、除去すべきニッケルの厚さに応じて調整される。
【００７３】
こうして図１の（Ｂ）に横断面が示された構造が得られる。当該構造においてアルミナ膜１４はニッケルナノピン１２の格子を備える。ニッケルナノピン１２はアルミナ膜１４と一体化されるとともに、各端部はアルミナ膜１４の一方の面１８と面一とされている。
【００７４】
ニッケルナノピンの平均直径および間隔は、それらが形成されるナノ貫通孔と同じである（直径７０ｎｍ、間隔１１０ｎｍ）。これらのニッケルナノピンは、次の工程において触媒として機能するのに適している。
【００７５】
（グラフェンシートの合成）
図１の（Ｂ）に示した構造は、ＬＰＣＶＤ反応器のチャンバ内に導入されるとともにプレート上に配置される。プレートの温度は５０℃のステップで１０００℃まで上昇され、
０．５トル（０．０６６６ｋＰａ）の圧力および流量２００ｃｍ３／分のアルゴンの下で、この温度が１０分間にわたり維持される。
【００７６】
次いで温度および圧力条件を一定に保ち、この構造は流量１０００ｃｍ３／分の脱酸素作用がある水素に２分間にわたり曝される。更に流量２００ｃｍ３／分のエチレンが加えられた流量１０００ｃｍ３／分の水素に曝される。
【００７７】
その後、この構造は１０℃／分で冷却される。冷却はＬＰＣＶＤ反応器のチャンバ内で行なってもよいし、冷却用に用意したチャンバ内で行なってもよい。また冷却は真空下で行なってもよいし、窒素、アルゴン、ヘリウムのような中性ガスの雰囲気下で行なってもよい。
【００７８】
こうして図１の（Ｃ）に横断面が示された構造が得られる。この構造はグラフェンシート１１を備えている。ニッケルナノピン１２上にグラフェンの核が形成され、これらの核が成長してグラフェン表面となり、これらグラフェン表面が集合して形成されたグラフェンシート１１は、アルミナ膜１４の面１８全体に広がっている。
【００７９】
（アルミナ膜の除去）
図１の（Ｃ）に示した構造のアルミナ膜は、化学エッチングによって除去される。化学エッチングは、２０℃の２Ｍのソーダ水溶液に１０分間にわたって当該構造を浸すことによって実施される。当該構造は、次いで脱イオン水で数回（少なくとも５回）すすぎ洗浄され、更に３００℃まで加熱されたチャンバ内において、３０分間にわたって窒素流下で乾燥される。
【００８０】
こうして図１の（Ｄ）に横断面が示された構造１０が得られる。この構造１０はグラフェンシート１１を備えている。グラフェンシート１１は、空気により隔離された複数のニッケルナノピン１２の格子と一体化されている。
【００８１】
（第２の実施形態）
次に本発明の第２の実施形態に係る方法を図２の（Ａ）〜（Ｃ）を参照して説明する。本実施形態は、ニッケルナノピンが誘電材料（ここではＳｉＯＣＨ）によって隔離された構造を作製するものである点において、第１の実施形態と異なる。
【００８２】
このため本実施形態においては、本発明の方法は以下に掲げる３つのステップを備えている。
１）ＰＥＣＶＤおよびこれに続く電子ビームリソグラフィによって、ナノ貫通孔が等間隔に並んだ格子を備えるＳｉＯＣＨ膜を作製する。
２）電着によって上記膜のナノ貫通孔内にニッケルナノワイヤを作製する。
３）ＬＰＣＶＤによって上記ニッケルナノワイヤ上にグラフェンシートを合成する。
【００８３】
（ナノ貫通孔を有するＳｉＯＣＨ膜の作製）
先ず結晶配向（１００）のシリコン基板上に厚さ５ｎｍのニッケル被膜がＰＶＤによって蒸着される。当該基板上に次に形成されるＳｉＯＣＨ膜においてナノ貫通孔となる所定の位置のみにニッケル被膜が蒸着するようにマスクを用いる。
【００８４】
次いで基板のニッケルで部分的に覆われた面に厚さ２００ｎｍのＳｉＯＣＨ被膜がＰＥＣＶＤによって蒸着される。
【００８５】
蒸着は、Applied Materials社製のCentura（登録商標）DXZ 200nmが備える容量結合室の一つにおいて実施される。３００℃に加熱された基板キャリヤ上に基板を配置し、以下に掲げる動作条件下において行なう。
・高周波プラズマ：１３．５６ＭＨｚ
・使用圧力：５トル（６６６Ｐａ）
・電力：６００Ｗ
・ジエトキシメチルシラン（ＤＥＭＳ）流量：１０００ｃｍ３／分
・ヘリウム流量：１０００ｃｍ３／分
・付着所要時間：３０秒
【００８６】
冷却後、こうして形成されたＳｉＯＣＨの被膜は電子ビームリソグラフィを施される。電子ビームリソグラフィについては、T. Raluca他、Microelectronic Engineering、2006年、第83巻、926頁に説明されている。このリソグラフィによってＳｉＯＣＨ被膜に形成されるナノ貫通孔の底部が、ニッケルで覆われた基板領域と一致するようにマスクを用いる。
【００８７】
こうして図２の（Ａ）に横断面が示された構造が得られる。この構造は、ニッケル被膜２５で局所的に覆われたシリコン基板２３を備えている。これらはナノ貫通孔２６の格子を備えたＳｉＯＣＨ膜２４によって覆われている。ナノ貫通孔２６の平均直径は４０ｎｍであり、ほぼ一定の距離（約４０ｎｍ）だけ互いに離間している。
【００８８】
（ニッケルナノワイヤの作製）
ニッケルナノワイヤは電着によって作製される。ニッケル被膜２５が作用電極として機能する点以外は、第１の実施形態と同様にして行なわれる。
【００８９】
過剰に付着したニッケル、すなわちアルミナ膜のナノ貫通孔の外側に形成されたナノワイヤの一部に相当するニッケルは、第１の実施形態と同様に、選択的機械／化学研磨によって除去される。
【００９０】
こうして図２の（Ｂ）に横断面が示された構造が得られる。当該構造においてＳｉＯＣＨ膜２４はニッケルナノピン２２の格子を備える。ニッケルナノピン２２はＳｉＯＣＨ膜２４と一体化されるとともに、各端部はＳｉＯＣＨ膜２４の一方の面と面一とされている。
【００９１】
ニッケルナノピンの平均直径および間隔は、それらが形成されるナノ貫通孔と同じである（直径４０ｎｍ、間隔４０ｎｍ）。これらのニッケルナノピンは、次の工程において触媒として機能するのに適している。
【００９２】
（グラフェンシートの合成）
グラフェンシートは、第１の実施形態と同様に、ＬＰＣＶＤによって合成される。
【００９３】
この工程が終了すると、図２の（Ｃ）に横断面が示された構造２０が得られる。この構造２０はグラフェンシート２１を備えている。ニッケルナノピン２２上にグラフェンの核が形成され、これらの核が成長してグラフェン表面となり、これらグラフェン表面が集合して形成されたグラフェンシート２１は、ＳｉＯＣＨ膜２４のシリコン基板２３と接触している面とは反対側の面２８全体に広がっている。
【００９４】
この構造は、例えば集積回路やナノ電気機械システム（ＮＥＭＳ）における相互接続構造にそのまま利用することができる。
【００９５】
他の用途においては、ＳｉＯＣＨ膜２４からニッケルナノピン２２をウェットエッチングにより除去してもよい。ウェットエッチングは、例えば塩化第２鉄（ＣｌＦｅ３）の１Ｍ水溶液に構造２０を数分間浸すことによって実施される。
【００９６】
この種のエッチングによれば、ガス生成物や沈殿物を生じることなく、したがってグラフェンシート２１に損傷を及ぼすことなく、構造２０からニッケルナノピン２２を除去することが可能である。
【００９７】
こうして図３に横断面が示された構造３０が得られる。この構造３０はグラフェンシート３１を備えている。グラフェンシート３１は、ナノ多孔質のＳｉＯＣＨ膜３４の一方の面３８全体に広がっている。
【符号の説明】
【００９８】
１０：構造、１１：グラフェンシート、１２：金属ナノピン、１４：アルミナ膜、１５：ナノ貫通孔、１８：膜面、２０：構造、２１：グラフェンシート、２２：ニッケルナノピン、２３：シリコン基板、２４：ＳｉＯＣＨ膜、２５：ニッケル被膜、２６：ナノ貫通孔、２８：膜面、３０：構造、３１：グラフェンシート、３４：多孔質ＳｉＯＣＨ膜：３８：膜面
【技術分野】
【０００１】
本発明は、グラフェンシートの製造に関する。
【０００２】
特に本発明は、グラフェンシートを含む構造の製造を可能にする方法に関する。当該構造においてはグラフェンシートの一方の面に複数の金属ピンが設けられ、当該複数の金属ピンは、空気および誘電材料から選択された誘電媒体によって隔離されている。
【０００３】
本発明は、当該方法により得られる構造、および当該構造の利用にも関する。
【０００４】
本発明に係る構造は、例えば以下に掲げる多様な技術分野において利用されうる。
・マイクロおよびナノエレクトロニクス（例えば電界効果型トランジスタまたは単一電子トランジスタの製造、もしくは集積回路構造の接続）
・マイクロおよびナノエレクトロニクスの工学応用（例えばマイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）およびナノ電気機械システム（ＮＥＭＳ）と称されることの多いマイクロメトリックおよびナノメトリック電気機械共振器の製造）
・スピントロニクス
・光起電力技術
・発光ダイオードディスプレイ
【０００５】
この構造における複数の金属ピンを誘電材料によって隔離すると、ある種の構造における中間製品として利用することも可能である。当該構造はグラフェンシートを備え、その一方の面に誘電材料からなる多孔質膜が設けられている。当該構造はとりわけ水素の貯蔵、燃料電池、およびマイクロバッテリにおいて有用である。
【背景技術】
【０００６】
グラフェンは、ハニカム六方晶構造を備えた二次元炭素結晶である。この結晶は、現在多くの公的および私的研究所において重要視されている、非常に驚くべき特性を備えている。
【０００７】
先ずグラフェンは、他に類を見ない電子の移動度を有し、室温において２０ｍ２Ｖ−１ｓ−１にもなる。比較すると、アンチモン化インジウムの室温における電子移動度はその１／２．５であり、シリコンは１／１３であり、銀は１／２５００である。
【０００８】
さらにグラフェンは、その厚さが炭素原子１つ分のため透明であり、化学的に極めて安定しており、非常に軽量であるが、機械的強度は極めて高い（鋼の２００倍を超える）。
【０００９】
グラフェンシートを合成するための技法としては、グラファイト結晶のマイクロメカニカル剥離、酸化グラフェンの電気化学的還元、カーボンナノチューブの開放、金属基板上における触媒によるグラフェンの成長、炭化珪素の凝華等が知られている。
【００１０】
これらの技法のうち金属基板上における触媒によるグラフェンの成長は、工業標準に適する最も有望な方法と目されており、産業規模でグラフェンを合成し、マイクロまたはナノ電子素子や、マイクロまたはナノ電気機械素子等への組み込みを可能にする（例えば、非特許文献１参照）。
【００１１】
なぜなら当該技法によれば、高い結晶品質のグラフェンの試料を生産可能であるためである。この結晶品質は、単結晶ドメインが数百マイクロメートルにわたり広がっていること、マクロなスケールでは単一の結晶配向を呈することにより特徴付けられる。またセンチメートル単位の表面を備えるグラフェンの試料を得ることも可能であるが、これは現時点で提案されている他のグラフェン製造技法によっては不可能である。
【００１２】
しかしながら、金属基板上で触媒成長させるグラフェンの製法には大きな欠点がある。それは次のような場合に、形成を行なった金属基板上から絶縁支持体へグラフェンシートを移し取ることを要する点にある。第１にこのシートに光学的な特徴や電気的な特徴を与えようとする場合（すなわちシートの光学的特性や電気的特性を研究しようとする場合）、第２にこのシートを前述の素子に組み込もうとする場合である（例えば、非特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１３】
【非特許文献１】K. S. Kim他、Nature、2009年、第457巻、706〜710頁
【非特許文献２】W. Regan他、Applied Physics Letters、2010年、第96巻、113102頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
ところが前述のシートの移し取りには、化学的エッチング溶液および樹脂の使用が必要な一連の操作が伴い、内的すなわち結晶格子における欠陥と外的な欠陥（曲率、極性不純物等）をグラフェンに生じさせ、材料特性を大きく損なわせる。
【００１５】
また前述の素子への組み込みを目的としてグラフェンシートに電気的接点を設けるためにはリソグラフィ、エッチング、および配線といった追加的操作が必要となり、シートの劣化リスクが更に高まる。
【００１６】
したがって発明者らは、高い結晶品質のグラフェンシートの製法を提供しようとするものである。すなわちその後の利用、とりわけ特性解析、マイクロまたはナノ電子素子やマイクロまたはナノ電気機械素子等への組み込みのために、異なる基板間にシートを移し取ることを一切必要とせず、工業標準に適する製法である。
【００１７】
また発明者らは、この方法の実施コストを産業規模の利用に適合させようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記の目的を達成する本発明の態様の一つは、空気および誘電材料から選択された誘電媒体により隔離された複数の金属ピンが一方の面に設けられたグラフェンシートを備える構造を製造する方法であって、ａ）誘電材料からなる膜上に配置されるか膜内に一体化された複数の金属ピン上に、当該金属ピンを触媒とする気相触媒成長によってグラフェンシートを合成し、ｂ）必要に応じて前記膜を除去することを特徴とする。
【００１９】
したがって本発明によれば、グラフェンシートの一方の面に複数の金属ピンが設けられたグラフェンシートを備える構造を、グラフェンシートの基板からの移し取りを行なうことなく得ることができる。グラフェンシートが金属ピン上に直接合成されるためである。
【００２０】
金属ピンは誘電材料からなる膜上に配置されるか膜内に一体化されるため、一度グラフェンシートが合成されてしまえば、当該膜は除去しても残存させても構わない。すなわち、金属ピンが空気により隔離された構造を得るのであれば膜を除去し、金属ピンが誘電材料により隔離された構造を得るのであれば膜を残存させる。
【００２１】
したがってこのグラフェンシートは、光学的な特徴や電気的な特徴を与えやすい。
【００２２】
当該構造は、マイクロまたはナノ電子素子や、マイクロまたはナノ電気機械素子等に直接組み込むことができる。当該構造が備える金属ピンを電気接点や電極として用いることができるためである。
【００２３】
本明細書で用いる「誘電材料」という表現は、電気分野において通常与えられている意味、すなわち電流を導通しない材料を表わす（例えば、Physics Aide-Memoire: for the use of pupils in higher scientific and technical teachings、B. Yavorski、A. Detlaf共著、Mir, Moscow刊、1975年、963頁を参照）。すなわち「誘電材料」とは「電気絶縁材料」と同義である。
【００２４】
上記のグラフェンシートは気相触媒成長により合成される。この技法が有する利点については前述の通りである。膜上に配置されるか膜内に一体化された金属ピンは合成時における触媒として機能する。
【００２５】
本発明においては、金属ピンを気相の炭素種に曝すものであれば、以下に掲げるいかなる技法によってもグラフェンの気相触媒成長を実施できる。
・通常ＣＶＤの略称で示される化学蒸着、例えば常圧ＣＶＤ（ＡＰＣＶＤ）、低圧ＣＶＤ（ＬＰＣＶＤ）、超高真空ＣＶＤ（ＵＨＶＣＶＤ）、エアゾール補助ＣＶＤ（ＡＡＣＶＤ）、直接液体噴射ＣＶＤ（ＤＬＩＣＶＤ）、急熱ＣＶＤ（ＲＴＣＶＤ）、開始ＣＶＤ（ｉ−ＣＤＶ）、原子層ＣＶＤ（ＡＬＣＶＤ）、熱線ＣＶＤ（ＨＷＣＶＤ）、プラズマ促進ＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ）、遠隔プラズマ促進ＣＶＤ（ＲＰＥＣＶＤ）、マイクロ波プラズマ促進ＣＶＤ（ＭＷＰＣＶＤ）等。
・通常ＰＶＤの略称で表示される物理蒸着、例えば陰極スパッタＰＶＤ、真空蒸発ＰＶＤ、イオンビームスパッタＰＶＤ、例えば陰極のアークＰＶＤ、通常ＰＬＤの略称で示されるパルスレーザ蒸着等。
・通常ＨＰＣＶＤの略称で示される物理化学混成蒸着。
【００２６】
しかしながらグラフェンの触媒による成長は化学蒸着によって実施されることが望ましい。この技法によれば、得られるグラフェンシートの結晶品質を特に良好に制御できるためである。
【００２７】
この場合、金属ピンが設けられた誘電材料膜をＣＶＤ反応器のチャンバ内においてガス流に曝すことによりグラフェンの触媒成長が実施される。ガス流は少なくとも一種の炭化水素を含む。炭化水素は飽和であるか不飽和であるかを問わず、直鎖、分岐鎖、環状であるかを問わない。炭化水素の例としてはメタン（ＣＨ４）、エタン（Ｃ２Ｈ６）、プロパン（Ｃ３Ｈ６）、ブタン（Ｃ４Ｈ１０）、アセチレン（Ｃ２Ｈ２）、エチレン（Ｃ２Ｈ４）、プロピレン（Ｃ３Ｈ６）、プロピン（Ｃ３Ｈ４）、ブチレン（Ｃ４Ｈ８）、ブチン（Ｃ４Ｈ４）、ブタジエン（Ｃ４Ｈ６）、ベンゼン（Ｃ６Ｈ６）、トルエン（Ｃ７Ｈ８）が挙げられる。ガス流は、必要に応じて水素や水素化合物、および／または中性ガスと混合してもよい。水素化合物の例としては金属ピンを脱酸するＮＨ３が挙げられる。中性ガスの例としては窒素、アルゴン、ヘリウムが挙げられる。化学蒸着は、２００℃から２０００℃の温度範囲において、また超高真空（１０−６Ｐａ以下）から大気圧（１０１．３２５ｋＰａ）の圧力範囲で行なわれる。
【００２８】
こうしてガス流中に存在する炭化水素が炭素種に分解されると、金属ピンに付着してその表面全体に拡散し、グラフェンの核が形成される（核生成）。これらが拡大し結合し終えると、連続したグラフェンシートが形成される。
【００２９】
上記のガス流は、少なくとも一種のＣ１〜Ｃ３炭化水素、より望ましくはメタン、アセチレン、エチレンのようなＣ１炭化水素またはＣ２炭化水素を含むことが望ましい。ガス流は水素と混合することが望ましい。例えば炭化水素／水素の比を１〜１０とする。化学蒸着は８００℃から１２００℃の温度範囲で行われることが望ましい。
【００３０】
また化学蒸着は、大気圧より低く１０−６Ｐａより高い圧力範囲で行なわれる低圧化学蒸着（ＬＰＣＶＤ）を用いることが望ましい。
【００３１】
チャンバ内の温度および圧力、脱酸素剤の流れ、金属ピンの脱酸素に要する時間、金属ピンの太さ、および炭化水素の流れ等の条件によるが、グラフェンシートの形成に要する時間は一般に１〜２０分である。
【００３２】
金属ピン上におけるグラフェンシートの形成は、ラマン分光法によってモニタすることができる。具体的には、グラフェンが有する２つの分光特性のピーク、すなわち１５８０ｃｍ−１におけるピークＧ、および２７００ｃｍ−１におけるピーク２Ｄの出現を確認する。
【００３３】
前述のように、グラフェンシートは触媒成長によって形成するのが望ましく、誘電材料膜上に配置されるか膜内に一体化された金属ピンが成長時の触媒として機能するため、金属ピンはそのメッシュパラメータがグラフェンのメッシュパラメータに一致する金属または合金からなることが望ましい。金属または合金のメッシュパラメータとグラフェンのメッシュパラメータの相違が２％を超えなければ、両者は一致しているとみなしうる。
【００３４】
グラフェンのメッシュパラメータは２．４５Åである。したがってメッシュパラメータが２．４０１Å以上２．４９９Å以下の金属または合金から金属ピンが形成されることが望ましい。
【００３５】
このようなメッシュパラメータを有する金属の例としては、ニッケル、銅、コバルト、ルテニウム、パラジウム、イリジウム、および白金が挙げられる。
【００３６】
これらの中でもニッケルが特に望ましい。コストが低く、融点が高く（１４５５℃）、メッシュパラメータがグラフェンとよく一致するためである。
【００３７】
上記において例示した金属や合金からなる金属ピンは、上記のステップａ）における触媒としての機能のみを意図して用いているものではない。グラフェンシートの形成に用いられるあらゆる技法を想定していることは明らかである。
【００３８】
本発明によれば、誘電材料からなる膜上または膜内において金属ピンを任意に分布させることができる。同様に、金属ピンの寸法および間隔も任意とすることができる。
【００３９】
しかしながら金属ピンの分布は規則的とすることが望ましい。特に互いに平行な複数の縦横列が直交しつつ並んでいる格子を形成することが望ましい。
【００４０】
この場合、格子が等間隔であることが望ましい。すなわち隣接するピンの間隔が一定または略一定であることが望ましい。
【００４１】
また誘電材料膜の面に平行な向きにおける金属ピンの最大寸法は、ナノメートルサイズであることが望ましい。この寸法は、金属ピンが円筒形状である場合の直径に相当する。隣接する金属ピンの間隔もナノメートルサイズであることが望ましい。
【００４２】
本明細書において「ナノメートル」とは、少なくとも１ナノメートル以上で、１マイクロメートル未満の寸法を指す。
【００４３】
本発明においては、支持体に形成された複数の開口を金属または合金で充填することにより前記金属ピンを作製することが望ましい。
【００４４】
ここで上記の開口は規則的に分布していることが望ましい。特に互いに平行な複数の縦横列が直交しつつ並んでいる格子を形成することが望ましい。当該格子は等間隔であること、すなわち隣接する開口の間隔が一定または略一定であることが望ましい。
【００４５】
また支持体の面に平行な向きにおける開口の最大寸法は、ナノメートルサイズであることが望ましい。隣接する開口の間隔もナノメートルサイズであることが望ましい。
【００４６】
ここで上記の支持体は上記の誘電材料膜によって形成されており、複数の開口は膜に形成された複数の孔に対応しており、開口が金属または合金で充填される前において複数の孔は格子を形成しており、膜の面に平行な向きにおける孔の最大寸法はナノメートルサイズであることが望ましい。
【００４７】
この膜はアルミナ、シリカ、化学式ＳｉｖＯｗＣｘＨｚまたはＳｉｖＯｗＣｘＮｙＨｚ（ｖ、ｗ、ｘ、ｙ、およびｚは全て０ではない）で示される材料、重合体、または連鎖共重合体の膜であることが望ましい。重合体の例としては、ポリカーボネートやポリエチレンテレフタレートが挙げられる。連鎖共重合体の例としては、ポリメチルアクリレートとポリエチレンオキシドの共重合体（ＰＰＭＡ／ＰＥＯ）が挙げられる。
【００４８】
この種の膜は市販されているものもある（例えば、ポリカーボネートおよびポリエチレンテレフタレートの膜）。あるいはアルミナ膜の場合、陽極酸化処理法を用いて直径が１０〜５００ｎｍの孔を高密度（１０９〜１０１２個／ｃｍ３）に形成し、次いでリソグラフィまたはフォトリソグラフィ、選択性エッチングやＵＶ補助ナノプリンティング等の公知技法を実施することにより作製することができる。
【００４９】
誘電材料膜に形成される孔は貫通孔であるため、孔を電着により充填することが可能である。電着は低コストでありながら高い付着選択性を有する技法である。
【００５０】
化学蒸着（ＣＶＤ）、原子層蒸着（ＡＬＤ）、プラズマ促進原子層蒸着（ＰＥＡＬＤ）、有機金属化学蒸着（ＭＯＣＶＤ）といった他の技法を孔の充填に用いることも可能である。
【００５１】
本発明の別の態様は、上記の方法によって得られる構造である。この構造は、空気および誘電材料から選択された誘電媒体により隔離された複数の金属ピンが一方の面に規則的に配置されたグラフェンシートを備えることを特徴とする。
【００５２】
本発明の別の態様は、この構造の利用である。前述のように、マイクロまたはナノ電子素子、マイクロまたはナノ電気機械素子、スピントロニクス素子、光起電素子、または発光ダイオード表示装置の製造にこの構造を利用することができる。
【００５３】
金属ピンを隔離する誘電媒体が誘電材料である場合は、誘電材料からなる多孔質膜が一方の面に設けられたグラフェンシートを備える構造の製造にこの構造を利用することができる。この場合においては、上記の構造から金属ピンを除去することになる。
【００５４】
こうして得られた構造は、水素の貯蔵、燃料電池、およびマイクロバッテリ用の装置を生産するにあたって特に有用である。
【００５５】
本発明の他の特徴および利点については、本発明の方法に係る実施例に関連し、添付の図面を参照する以下の説明から明らかになるであろう。
【００５６】
説明中で用いられている「ナノピン」、「ナノ孔」、「ナノワイヤ」という語は、円筒形状を有してその直径がナノメートルサイズであるピン、孔、ワイヤを指す。
【００５７】
上記の例は本発明の趣旨を例示的に説明するものに過ぎず、当該趣旨に対する限定的な解釈を何ら与えるものではないことは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】（Ａ）〜（Ｄ）は、本発明の第１の実施形態に係る方法を模式的に示す図である。当該方法は、グラフェンシートを備える構造を製造するものであり、当該構造はグラフェンシートの一方の面に複数の金属ナノピンの格子が等間隔で設けられ、金属ナノピン同士は空気により隔離されている。
【図２】（Ａ）〜（Ｃ）は、本発明の第２の実施形態に係る方法を模式的に示す図である。当該方法は、グラフェンシートを備える構造を製造するものであり、当該構造はグラフェンシートの一方の面に複数の金属ナノピンの格子が等間隔で設けられ、金属ナノピン同士は誘電材料により隔離されている。
【図３】グラフェンシートを備える構造を模式的に示す図である。当該構造はグラフェンシートの一方の面に誘電材料からなる多孔膜が設けられており、図２の（Ｃ）に示す構造より得られるものである。
【発明を実施するための形態】
【００５９】
以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能な大きさとするために縮尺を適宜変更している。
【００６０】
（第１の実施形態）
まず本発明の第１の実施形態に係る方法を図１の（Ａ）〜（Ｄ）を参照して説明する。本実施形態は図１の（Ｄ）に示すグラフェンシート１１を備える構造１０を製造するためのものである。グラフェンシート１１は、複数の金属ナノピン１２が等間隔に並んだ格子と一体化されている。具体的には、複数の金属ナノピン１２はニッケルからなり、空気により隔離されている。
【００６１】
本実施形態においては、本発明の方法は以下に掲げる４つのステップを備えている。
１）アルミニウムシートを陽極酸化処理することによって、ナノ貫通孔が等間隔に並んだ格子を備えるアルミナ膜を作製する。
２）電着によって上記アルミナ膜のナノ貫通孔内にニッケルナノワイヤを作製する。
３）ＬＰＣＶＤによって上記ナノワイヤの表面にグラフェンシートを合成する。
４）化学エッチングによってアルミナ膜を除去する。
各ステップについて、以下詳述する。
【００６２】
（ナノ貫通孔を有するアルミナ膜の作製）
先ず厚さ１μｍのアルミニウムシートが、中性雰囲気（アルゴン、ヘリウム、窒素）のもとで２時間にわたり５００℃でアニーリングを施される。これは金属粒子の粒度を高め、後続する陽極酸化処理時においてナノ貫通孔を成長させるための均一な条件を得るためのものである。
【００６３】
このシートは、次いで予め６０℃まで加熱された５％ソーダ溶液に３０秒間浸されて酸洗いされ、更に１．５Ｍの硝酸水溶液に１０秒間浸されて中和される。
【００６４】
次いでアルミニウムシートの一方の面が電解研磨を施される。電界研磨は、標準的な電解研磨浴槽（６５％過塩素酸／エタノール／２−ブトキシエタノール／水）において、陽極となるこのアルミニウムシートとグラファイト板からなる対電極との間に４０Ｖの直流電圧を印加することによって、常温で２０秒間にわたり実施される。こうして電解研磨された面の平均粗さは、３μｍ２の抜き取り面積について約３ｎｍである。
【００６５】
次いでこの面が第１の陽極酸化処理を施される。陽極酸化処理は、０．５Ｍシュウ酸の３％水溶液の浴槽において、陽極となるアルミニウムシートと白金グリルからなる対電極との間に４０Ｖの直流電圧を印加することによって、１５℃で１５時間にわたり実施される。
【００６６】
この陽極酸化処理中に形成されるアルミナ層は、ウェットエッチングによって除去される。ウェットエッチングは、０．２モル／ｌのクロム酸と０．４モル／ｌのリン酸を含む水溶液を用いて６０℃で実施される。
【００６７】
次いで陽極酸化処理を受けたアルミニウムシートの面が、第２の陽極酸化処理を施される。第２の陽極酸化処理は、第１の陽極酸化処理と同じ条件下で、５時間にわたり実施される。
【００６８】
こうしてナノ貫通孔１５の格子を備えるアルミナ膜１４が得られる。図１の（Ａ）にその横断面を示す。これらナノ貫通孔の平均直径は約７０ｎｍであり、ほぼ一定の距離（約１１０ｎｍ）だけ互いに離間している。
【００６９】
（ニッケルナノワイヤの作製）
ニッケルナノワイヤは電着によって作製される。この電着を実行する前に、アルミナ膜の一方の面に現れるナノ貫通孔の端部を導電性にする必要がある。
【００７０】
このため、先ず厚さ１０ｎｍの金被膜が真空蒸着によりアルミナ膜の一方の面に蒸着される。なお当該面に現れるナノ貫通孔の端部においてのみ蒸着がなされるようにマスクを用いる。
【００７１】
電解浴槽中において、ナノ貫通孔の端部を被覆する金の被膜によって形成される作用電極と、ステンレス鋼板からなる対電極との間に１０Ｖの直流電圧を印加することによって、２０℃で９０分間にわたり電着が実施される。電解浴槽は、塩化ニッケル（ＮｉＣＬ２）と水の混合物（１／１、ｖ／ｖ）２００ｇ／ｌと、硫酸ニッケル（ＮｉＳＯ４）と水の混合物（１／７、ｖ／ｖ）１２０ｇ／ｌと、ホウ酸５０ｇ／ｌから構成され、ソーダを添加することによってそのｐＨが予め４に調整される。
【００７２】
過剰に付着したニッケル、すなわちアルミナ膜のナノ貫通孔の外側に形成されたナノワイヤの一部に相当するニッケルは、選択的機械／化学研磨によって除去される。研磨除去は、酸化剤としての過酸化水素の０．１％溶液と、研磨剤としての平均粒径１８０ｎｍのアルミナ粒子の４．６重量％懸濁液とを用いて実施される。線形研磨速度は、１０ｃｍ／分であり、加えられる圧力は、５．１ｐｓｉ（３４．４７ｋＰａ）である。各パス毎の研磨時間は、除去すべきニッケルの厚さに応じて調整される。
【００７３】
こうして図１の（Ｂ）に横断面が示された構造が得られる。当該構造においてアルミナ膜１４はニッケルナノピン１２の格子を備える。ニッケルナノピン１２はアルミナ膜１４と一体化されるとともに、各端部はアルミナ膜１４の一方の面１８と面一とされている。
【００７４】
ニッケルナノピンの平均直径および間隔は、それらが形成されるナノ貫通孔と同じである（直径７０ｎｍ、間隔１１０ｎｍ）。これらのニッケルナノピンは、次の工程において触媒として機能するのに適している。
【００７５】
（グラフェンシートの合成）
図１の（Ｂ）に示した構造は、ＬＰＣＶＤ反応器のチャンバ内に導入されるとともにプレート上に配置される。プレートの温度は５０℃のステップで１０００℃まで上昇され、
０．５トル（０．０６６６ｋＰａ）の圧力および流量２００ｃｍ３／分のアルゴンの下で、この温度が１０分間にわたり維持される。
【００７６】
次いで温度および圧力条件を一定に保ち、この構造は流量１０００ｃｍ３／分の脱酸素作用がある水素に２分間にわたり曝される。更に流量２００ｃｍ３／分のエチレンが加えられた流量１０００ｃｍ３／分の水素に曝される。
【００７７】
その後、この構造は１０℃／分で冷却される。冷却はＬＰＣＶＤ反応器のチャンバ内で行なってもよいし、冷却用に用意したチャンバ内で行なってもよい。また冷却は真空下で行なってもよいし、窒素、アルゴン、ヘリウムのような中性ガスの雰囲気下で行なってもよい。
【００７８】
こうして図１の（Ｃ）に横断面が示された構造が得られる。この構造はグラフェンシート１１を備えている。ニッケルナノピン１２上にグラフェンの核が形成され、これらの核が成長してグラフェン表面となり、これらグラフェン表面が集合して形成されたグラフェンシート１１は、アルミナ膜１４の面１８全体に広がっている。
【００７９】
（アルミナ膜の除去）
図１の（Ｃ）に示した構造のアルミナ膜は、化学エッチングによって除去される。化学エッチングは、２０℃の２Ｍのソーダ水溶液に１０分間にわたって当該構造を浸すことによって実施される。当該構造は、次いで脱イオン水で数回（少なくとも５回）すすぎ洗浄され、更に３００℃まで加熱されたチャンバ内において、３０分間にわたって窒素流下で乾燥される。
【００８０】
こうして図１の（Ｄ）に横断面が示された構造１０が得られる。この構造１０はグラフェンシート１１を備えている。グラフェンシート１１は、空気により隔離された複数のニッケルナノピン１２の格子と一体化されている。
【００８１】
（第２の実施形態）
次に本発明の第２の実施形態に係る方法を図２の（Ａ）〜（Ｃ）を参照して説明する。本実施形態は、ニッケルナノピンが誘電材料（ここではＳｉＯＣＨ）によって隔離された構造を作製するものである点において、第１の実施形態と異なる。
【００８２】
このため本実施形態においては、本発明の方法は以下に掲げる３つのステップを備えている。
１）ＰＥＣＶＤおよびこれに続く電子ビームリソグラフィによって、ナノ貫通孔が等間隔に並んだ格子を備えるＳｉＯＣＨ膜を作製する。
２）電着によって上記膜のナノ貫通孔内にニッケルナノワイヤを作製する。
３）ＬＰＣＶＤによって上記ニッケルナノワイヤ上にグラフェンシートを合成する。
【００８３】
（ナノ貫通孔を有するＳｉＯＣＨ膜の作製）
先ず結晶配向（１００）のシリコン基板上に厚さ５ｎｍのニッケル被膜がＰＶＤによって蒸着される。当該基板上に次に形成されるＳｉＯＣＨ膜においてナノ貫通孔となる所定の位置のみにニッケル被膜が蒸着するようにマスクを用いる。
【００８４】
次いで基板のニッケルで部分的に覆われた面に厚さ２００ｎｍのＳｉＯＣＨ被膜がＰＥＣＶＤによって蒸着される。
【００８５】
蒸着は、Applied Materials社製のCentura（登録商標）DXZ 200nmが備える容量結合室の一つにおいて実施される。３００℃に加熱された基板キャリヤ上に基板を配置し、以下に掲げる動作条件下において行なう。
・高周波プラズマ：１３．５６ＭＨｚ
・使用圧力：５トル（６６６Ｐａ）
・電力：６００Ｗ
・ジエトキシメチルシラン（ＤＥＭＳ）流量：１０００ｃｍ３／分
・ヘリウム流量：１０００ｃｍ３／分
・付着所要時間：３０秒
【００８６】
冷却後、こうして形成されたＳｉＯＣＨの被膜は電子ビームリソグラフィを施される。電子ビームリソグラフィについては、T. Raluca他、Microelectronic Engineering、2006年、第83巻、926頁に説明されている。このリソグラフィによってＳｉＯＣＨ被膜に形成されるナノ貫通孔の底部が、ニッケルで覆われた基板領域と一致するようにマスクを用いる。
【００８７】
こうして図２の（Ａ）に横断面が示された構造が得られる。この構造は、ニッケル被膜２５で局所的に覆われたシリコン基板２３を備えている。これらはナノ貫通孔２６の格子を備えたＳｉＯＣＨ膜２４によって覆われている。ナノ貫通孔２６の平均直径は４０ｎｍであり、ほぼ一定の距離（約４０ｎｍ）だけ互いに離間している。
【００８８】
（ニッケルナノワイヤの作製）
ニッケルナノワイヤは電着によって作製される。ニッケル被膜２５が作用電極として機能する点以外は、第１の実施形態と同様にして行なわれる。
【００８９】
過剰に付着したニッケル、すなわちアルミナ膜のナノ貫通孔の外側に形成されたナノワイヤの一部に相当するニッケルは、第１の実施形態と同様に、選択的機械／化学研磨によって除去される。
【００９０】
こうして図２の（Ｂ）に横断面が示された構造が得られる。当該構造においてＳｉＯＣＨ膜２４はニッケルナノピン２２の格子を備える。ニッケルナノピン２２はＳｉＯＣＨ膜２４と一体化されるとともに、各端部はＳｉＯＣＨ膜２４の一方の面と面一とされている。
【００９１】
ニッケルナノピンの平均直径および間隔は、それらが形成されるナノ貫通孔と同じである（直径４０ｎｍ、間隔４０ｎｍ）。これらのニッケルナノピンは、次の工程において触媒として機能するのに適している。
【００９２】
（グラフェンシートの合成）
グラフェンシートは、第１の実施形態と同様に、ＬＰＣＶＤによって合成される。
【００９３】
この工程が終了すると、図２の（Ｃ）に横断面が示された構造２０が得られる。この構造２０はグラフェンシート２１を備えている。ニッケルナノピン２２上にグラフェンの核が形成され、これらの核が成長してグラフェン表面となり、これらグラフェン表面が集合して形成されたグラフェンシート２１は、ＳｉＯＣＨ膜２４のシリコン基板２３と接触している面とは反対側の面２８全体に広がっている。
【００９４】
この構造は、例えば集積回路やナノ電気機械システム（ＮＥＭＳ）における相互接続構造にそのまま利用することができる。
【００９５】
他の用途においては、ＳｉＯＣＨ膜２４からニッケルナノピン２２をウェットエッチングにより除去してもよい。ウェットエッチングは、例えば塩化第２鉄（ＣｌＦｅ３）の１Ｍ水溶液に構造２０を数分間浸すことによって実施される。
【００９６】
この種のエッチングによれば、ガス生成物や沈殿物を生じることなく、したがってグラフェンシート２１に損傷を及ぼすことなく、構造２０からニッケルナノピン２２を除去することが可能である。
【００９７】
こうして図３に横断面が示された構造３０が得られる。この構造３０はグラフェンシート３１を備えている。グラフェンシート３１は、ナノ多孔質のＳｉＯＣＨ膜３４の一方の面３８全体に広がっている。
【符号の説明】
【００９８】
１０：構造、１１：グラフェンシート、１２：金属ナノピン、１４：アルミナ膜、１５：ナノ貫通孔、１８：膜面、２０：構造、２１：グラフェンシート、２２：ニッケルナノピン、２３：シリコン基板、２４：ＳｉＯＣＨ膜、２５：ニッケル被膜、２６：ナノ貫通孔、２８：膜面、３０：構造、３１：グラフェンシート、３４：多孔質ＳｉＯＣＨ膜：３８：膜面
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気および誘電材料から選択された誘電媒体により隔離された複数の金属ピンが一方の面に設けられたグラフェンシートを備える構造を製造する方法であって、
ａ）誘電材料からなる膜上に配置されるか膜内に一体化された複数の金属ピン上に、当該金属ピンを触媒とする気相触媒成長によってグラフェンシートを合成し、
ｂ）必要に応じて前記膜を除去することを特徴とする。
【請求項２】
前記グラフェンの前記触媒成長は、化学蒸着によりなされることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記化学蒸着は、少なくとも一種の炭化水素を含むガス流を、必要に応じて水素、および／または少なくとも一種の中性ガスと混合して用い、２００℃から２０００℃の温度範囲において、超高真空から大気圧の圧力範囲で行なうことを特徴とする、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記化学蒸着は、少なくとも一種のＣ１〜Ｃ３炭化水素を含むガス流を、必要に応じて水素または水素化合物、および／または少なくとも一種の中性ガスと混合して用い、８００℃から１２００℃の温度範囲において、大気圧より低く１０−６Ｐａより高い圧力範囲で行なうことを特徴とする、請求項２または３に記載の方法。
【請求項５】
前記金属ピンは金属または金属の化合物からなり、そのメッシュパラメータとグラフェンのメッシュパラメータとの相違が２％を超えないことを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記金属ピンは、ニッケル、銅、コバルト、ルテニウム、パラジウム、イリジウム、および白金から選択された金属または金属の化合物からなることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記金属ピンは、ニッケルからなることを特徴とする、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記金属ピンは格子を形成していることを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記格子は等間隔であることを特徴とする、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記誘電材料からなる膜の面に平行な向きにおける前記金属ピンの最大寸法は、ナノメートルサイズであることを特徴とする、請求項８または９に記載の方法。
【請求項１１】
隣接する前記金属ピンの間隔はナノメートルサイズであることを特徴とする、請求項８から１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
支持体に形成された複数の開口を金属または合金で充填することにより前記金属ピンを作製することを特徴とする、請求項１から１１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
前記複数の開口は格子を形成していることを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記格子は等間隔であることを特徴とする、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記支持体の面に平行な向きにおける前記開口の最大寸法は、ナノメートルサイズであることを特徴とする、請求項１２から１４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１６】
隣接する前記開口の間隔はナノメートルサイズであることを特徴とする、請求項１２から１５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１７】
前記支持体は前記誘電材料からなる膜によって形成されており、
前記複数の開口は前記膜に形成された複数の孔に対応しており、
前記開口が前記金属または合金で充填される前において前記孔は格子を形成しており、
前記膜の面に平行な向きにおける前記孔の最大寸法はナノメートルサイズであることを特徴とする、請求項１２から１６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１８】
前記誘電材料からなる膜は、アルミナ、シリカ、化学式ＳｉｖＯｗＣｘＨｚまたはＳｉｖＯｗＣｘＮｙＨｚ（ｖ、ｗ、ｘ、ｙ、およびｚは全て０ではない）で示される材料、重合体、または連鎖共重合体の膜であることを特徴とする、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
空気および誘電材料から選択された誘電媒体により隔離された複数の金属ピンが一方の面に規則的に配置されたグラフェンシートを備えることを特徴とする、構造。
【請求項２０】
マイクロまたはナノ電子素子、マイクロまたはナノ電気機械素子、スピントロニクス素子、光起電素子、または発光ダイオード表示装置の製造への、請求項１９に記載の構造の利用。
【請求項２１】
請求項１９に記載の構造の利用であって、
前記金属ピンを隔離する前記誘電媒体は誘電材料であり、
誘電材料からなる多孔質膜が一方の面に設けられたグラフェンシートを備える構造の製造にあたり、請求項１９に記載の構造から前記金属ピンを除去することを特徴とする。
【請求項１】
空気および誘電材料から選択された誘電媒体により隔離された複数の金属ピンが一方の面に設けられたグラフェンシートを備える構造を製造する方法であって、
ａ）誘電材料からなる膜上に配置されるか膜内に一体化された複数の金属ピン上に、当該金属ピンを触媒とする気相触媒成長によってグラフェンシートを合成し、
ｂ）必要に応じて前記膜を除去することを特徴とする。
【請求項２】
前記グラフェンの前記触媒成長は、化学蒸着によりなされることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記化学蒸着は、少なくとも一種の炭化水素を含むガス流を、必要に応じて水素、および／または少なくとも一種の中性ガスと混合して用い、２００℃から２０００℃の温度範囲において、超高真空から大気圧の圧力範囲で行なうことを特徴とする、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記化学蒸着は、少なくとも一種のＣ１〜Ｃ３炭化水素を含むガス流を、必要に応じて水素または水素化合物、および／または少なくとも一種の中性ガスと混合して用い、８００℃から１２００℃の温度範囲において、大気圧より低く１０−６Ｐａより高い圧力範囲で行なうことを特徴とする、請求項２または３に記載の方法。
【請求項５】
前記金属ピンは金属または金属の化合物からなり、そのメッシュパラメータとグラフェンのメッシュパラメータとの相違が２％を超えないことを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記金属ピンは、ニッケル、銅、コバルト、ルテニウム、パラジウム、イリジウム、および白金から選択された金属または金属の化合物からなることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記金属ピンは、ニッケルからなることを特徴とする、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記金属ピンは格子を形成していることを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記格子は等間隔であることを特徴とする、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記誘電材料からなる膜の面に平行な向きにおける前記金属ピンの最大寸法は、ナノメートルサイズであることを特徴とする、請求項８または９に記載の方法。
【請求項１１】
隣接する前記金属ピンの間隔はナノメートルサイズであることを特徴とする、請求項８から１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
支持体に形成された複数の開口を金属または合金で充填することにより前記金属ピンを作製することを特徴とする、請求項１から１１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
前記複数の開口は格子を形成していることを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記格子は等間隔であることを特徴とする、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記支持体の面に平行な向きにおける前記開口の最大寸法は、ナノメートルサイズであることを特徴とする、請求項１２から１４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１６】
隣接する前記開口の間隔はナノメートルサイズであることを特徴とする、請求項１２から１５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１７】
前記支持体は前記誘電材料からなる膜によって形成されており、
前記複数の開口は前記膜に形成された複数の孔に対応しており、
前記開口が前記金属または合金で充填される前において前記孔は格子を形成しており、
前記膜の面に平行な向きにおける前記孔の最大寸法はナノメートルサイズであることを特徴とする、請求項１２から１６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１８】
前記誘電材料からなる膜は、アルミナ、シリカ、化学式ＳｉｖＯｗＣｘＨｚまたはＳｉｖＯｗＣｘＮｙＨｚ（ｖ、ｗ、ｘ、ｙ、およびｚは全て０ではない）で示される材料、重合体、または連鎖共重合体の膜であることを特徴とする、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
空気および誘電材料から選択された誘電媒体により隔離された複数の金属ピンが一方の面に規則的に配置されたグラフェンシートを備えることを特徴とする、構造。
【請求項２０】
マイクロまたはナノ電子素子、マイクロまたはナノ電気機械素子、スピントロニクス素子、光起電素子、または発光ダイオード表示装置の製造への、請求項１９に記載の構造の利用。
【請求項２１】
請求項１９に記載の構造の利用であって、
前記金属ピンを隔離する前記誘電媒体は誘電材料であり、
誘電材料からなる多孔質膜が一方の面に設けられたグラフェンシートを備える構造の製造にあたり、請求項１９に記載の構造から前記金属ピンを除去することを特徴とする。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１２−２５６５２（Ｐ２０１２−２５６５２Ａ）
【公開日】平成２４年２月９日（２０１２．２．９）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２０１１−１５７６６４（Ｐ２０１１−１５７６６４）
【出願日】平成２３年７月１９日（２０１１．７．１９）
【出願人】（５０２１２４４４４）コミッサリア ア レネルジー アトミーク エ オ ゼネルジ ザルタナテイヴ (383)
【出願人】（５０５２４３４８９）
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年２月９日（２０１２．２．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１５７６６４（Ｐ２０１１−１５７６６４）
【出願日】平成２３年７月１９日（２０１１．７．１９）
【出願人】（５０２１２４４４４）コミッサリア ア レネルジー アトミーク エ オ ゼネルジ ザルタナテイヴ (383)
【出願人】（５０５２４３４８９）
【Ｆターム（参考）】
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