炭素原子が1原子層の蜂の巣状に並ぶグラフェンに新しい技術が登場した。シアン化金がグラフェン上に自発的に規則正しく整列する自己組織化を利用して、帯状の単層グラフェンのナノリボンを作りだすことに、東京大学生産技術研究所の竹内昌治(たけうち しょうじ)教授と李源哲(リ ウォンチュル)特任助教らが成功した。

図1. 研究の概要。金を含む水溶液中にグラフェンを浸し、常温で静置すると、グラフェン上にシアン化金が自発的に整列し、ナノワイヤがグラフェンの結晶構造に沿って60度ごとに形成される。グラフェンナノリボンも同じ向きにできる。(提供：東京大学)

シリコンに代わる半導体素材として注目されている世界最薄のナノリボンの確実な生産に道を開き、その可能性を高めると期待される。米カリフォルニア大学バークレー校、ローレンス・バークレー研究所、ハーバード大学、韓国の蔚山科学技術大学校、建国大学校との共同研究で、3月23日付の英科学誌ネイチャーナノテクノロジーのオンライン版に発表した。

図2. 自己組織化されたグラフェンの整列の様子。左は透過型電子顕微鏡像と電子線回折像(上)。右上は透過型電子顕微鏡によるナノワイヤの高倍率観察像、多数の平行な線が並んでいる部分がナノワイヤ。右下はナノワイヤの分布をグラフ化したもの。左図の白棒は100nm、右上図の白棒は5nm。(提供：東京大学)

図3. グラフェンナノリボンおよびゴールドナノパーティクルの作製方法(提供：東京大学)

図4. ナノワイヤ(左)と(右)グラフェンナノリボンの走査型電子顕微鏡像。どちらもグラフェンの結晶格子に沿ってジグザグ状に整列する。白棒は100nm。(提供：東京大学)

「この独自の手法はボトムアップとトップダウンの融合」と研究グループは指摘する。まずボトムアップだ。常温の水溶液中でシアン化金が基板のグラフェンの上に繊維状のナノワイヤを析出することを発見した。ナノワイヤの大きさは平均で、長さが94.7nm(ナノメートル、1nmは100万分の1mm)、太さが10.1nm、厚みが3.29nmだった。

従来、グラフェン上に有機物を自己組織化させるには、グラフェン表面を加工するか、高温下で無機物を蒸着させるなどの特殊な方法が必要だった。今回、金を含む室温の水溶液に純粋なグラフェンを17時間浸すと、多数のナノワイヤが自己組織化されることを見いだした。このナノワイヤは、グラフェンの結晶格子のジグザグエッジ方向に沿って集合・整列することが透過型電子顕微鏡で確かめられた。

次にトップダウンだ。このナノワイヤが載ったグラフェンに上からガスを当て、エッチング(化学薬品による表面加工)で切り出すと、ナノワイヤに覆われた部分のグラフェンだけがリボン状に残った。このナノリボンは幅が約10nm、厚さが炭素原子1個分の0.345nmと世界最薄の帯状で、ジグザグ型と推定された。

エッジがジグザグ型のナノリボンは、特に半導体デバイスやバイオセンサーなどとして利用できる可能性が大きい。これまでの製法は確率的なものが多く、グラフェンの特性を利用してこれほど効率よく作れるのは初めてという。さらに、電子ビームの照射や加熱でナノワイヤを分解して、シアン化金粒子が連なった鎖状のゴールドナノパーティクルチェーンが作製できることも明らかにした。

竹内昌治教授は「グラフェンの中でも、ナノリボンは電気伝導性や磁性に特性があり、次世代のスピントロニクス材料として注目されている。この手法を改良していけば、作るのが難しいジグザグ型ナノリボンの量産が可能だろう。また、グラフェン上に形成されるナノワイヤは、グラフェン結晶構造の解析の新しい方法にもなる」と話している。

関連記事

「ジグザグ型エッジのグラフェンリボン作製」