阪大,基板上のグラフェン特性を操作し特性も解明

大阪大学の研究グループは,多層グラフェンナノリボンをチャネルとした電界効果型トランジスタのキャリア輸送特性解析から,グラフェンナノリボンにおける金属・半導体特性の発現機構を解明した(ニュースリリース)。

これまで理想的な系における電子構造計算により,グラフェンナノリボンのキャリア伝導特性が,そのエッジ構造や幅の違いにより半導体や金属特性を示すことが予測されてきた。しかし,シリコンデバイス基板に組み込んだ実際のグラフェンナノリボンデバイスでは,理論的な予測とは異なり,構造に対して系統的なキャリア伝導特性の変化が現れないことが課題だった。

研究グループは,カーボンナノチューブ(CNT)をアンジップすることにより合成した単層グラフェンナノリボンを固体テンプレートとした化学気相成長法により,多層グラフェンナノリボンを作製した。

幅を15~25nmに制御しつつ,層数を変化させた多層グラフェンナノリボンをチャネルとした電界効果型トランジスタのキャリア伝導を計測した結果,数層(1~3層)グラフェンでは半導体的,多層(6~8層)では金属的な特性が観察された。

単層では,デバイス基板表面上に残留する不純物電荷により,局所的に高いポテンシャル障壁が形成されるが,多層では層間における電場遮蔽効果により表面ポテンシャルが平坦になる。単層グラフェンでは,不純物電荷の局所的なポテンシャル変調の影響を強く受けるため,キャリアは熱エネルギーの助けを借りてこの障壁を乗り越えるようにホッピング伝導する。

特に,ナノリボンのような細線形状ではチャネルを分断するように大きなポテンシャル障壁が形成されるため,伝導電子が局在化を起こし半導体的な特性を示す。一方,多層構造では層間の遮蔽効果により不純物電荷による電界が層数の増加と共に減衰し,最表層付近ではポテンシャルが平坦になり高い伝導度を有する金属的特性を示すようになる。

層数が5層付近を境に,キャリア輸送特性が半導体的から金属的に遷移する。この境界となる5層の厚みは,不純物電荷の電界に対する遮蔽長(~1.5nm)と良い一致を示した。このことから,実際のグラフェンナノリボンデバイスでは,それを取り巻く周りの環境効果の有無が,半導体・金属特性発現の支配要因となることを明らかにした。

研究グループは,この成果は,高速動作可能なトランジスタや高電流密度に耐える配線など,目的に応じたグラフェンナノリボン材料の応用・展開を加速する重要なマイルストーンだとしている。

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