講演題目

ナノカーボン（グラフェン、カーボンナノチューブ）の成長機構とその制御

吾郷 浩樹（九州大学先導物質化学研究所）

グラフェンやカーボンナノチューブに代表されるナノカーボンは、特徴的な低次元構造とそれを反映したユニークな物性から、大きな注目を集めている。グラフェンは、シリコンの100倍以上も高いキャリア移動度を示し、光透過性や機械的柔軟性を有するため、フレキシブルエレクトロニクスなどへの応用が期待されている。グラフェンの優れた特性を引き出し、応用へと発展させるためには、高結晶性で大面積のグラフェン膜が必要である。いくつかあるグラフェン合成法の中でも、高温下での触媒反応を用いる化学気相成長（CVD）法が、コスト、均一性、大面積化などの利点から最近の主流となりつつある。CVD成長では炭素固溶度の低い銅（Cu）が単層グラフェンの成長に適した触媒として広く用いられている。しかし、一般的な銅薄膜や銅ホイルは多結晶であるため、その上に成長するグラフェンも多結晶となってしまう。実際、暗視野TEM観察において1 mm程度の小さなドメインが多数集まってグラフェンシートを形成していることが明らかにされている。グラフェンのドメインバンダリーは、キャリア移動度を低下させるとともに、機械的強度の低下につながることが報告されており、バンダリーのない単結晶グラフェンのCVD成長法の実現が強く望まれている。我々は、サファイアや酸化マグネシウム基板上にエピタキシャル成長させた銅を触媒として、大気圧の熱CVDを行い、六員環の方位が揃った高品質の単層グラフェンの成長に成功した。触媒である銅の結晶面に依存して、グラフェンのドメイン構造が変化することも明らかにした。さらに、高温下における銅触媒上でのグラフェン成長のダイナミックスについても議論する。また、カーボンナノチューブに関しては、電子構造に大きな影響を与えるカイラリティや直径の制御を目指したナノチューブのCVD成長法について概説する。特に、我々が行ってきたサファイア上での単層カーボンナノチューブの水平配向成長とその展開について紹介する。