【公開日：2023.07.28】【最終更新日：2023.05.25】
課題データ / Project Data
課題番号 / Project Issue Number
22TU0097
利用課題名 / Title
グラフェン膜レーザー加工技法の開発
利用した実施機関 / Support Institute
東北大学
機関外・機関内の利用 / External or Internal Use
内部利用（ARIM事業参画者以外）/Internal Use (by non ARIM members)
技術領域 / Technology Area
【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）計測・分析/Advanced Characterization（副 / Sub）-
【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）高度なデバイス機能の発現を可能とするマテリアル/Materials allowing high-level device functions to be performed（副 / Sub）量子・電子制御により革新的な機能を発現するマテリアル/Materials using quantum and electronic control to perform innovative functions
キーワード / Keywords
グラフェン,電子顕微鏡/Electron microscopy
利用者と利用形態 / User and Support Type
利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)
上杉 祐貴
所属名 / Affiliation
東北大学 多元物質科学研究所
共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes
門口尚広
ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes
利用形態 / Support Type
（主 / Main）技術代行/Technology Substitution（副 / Sub）-
利用した主な設備 / Equipment Used in This Project
報告書データ / Report
概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)
従来のナノテクノロジーでは極めて困難だった単層グラフェンの加工を、フェムト秒レーザーを用いて微細加工する新技術の開発を行っている。波長0.5～1μmのレーザー光を使用しながら、100nm以下の空間分解能で厚さ5nm以下の薄膜を加工することに成功しており、グラフェンについても加工が期待される。単純な穴あけ加工の他、グラフェンの表面洗浄技術など、新技術の創出にも取り組んでいる。
実験 / Experimental
試料は市販のCVD単層グラフェンTEMグリッドをレーザー加工したものである。フェムト秒レーザーをグラフェンのアブレーションしきい値近傍に調節して加工することで、直径100 nm以下の微細孔を形成することができた。走査電子顕微鏡による観察では、孔の形成のほか、レーザー照射部になんらかの表面改質が生じている兆候が得られた。そのため、高分解能のS/TEM装置を使って詳細に観察した。
結果と考察 / Results and Discussion
S/TEM観察により、レーザーが照射されたグラフェン表面では、アモルファス状のカーボン堆積物が除去されていることがわかった。また、走査電子顕微鏡では観察できなかった直径数nmの超微細孔や、炭素原子数個が欠損した原子欠陥の形成が確認された。これらの結果より、我々の開発したフェムト秒レーザー加工技術は、単層グラフェンを微細加工できるだけでなく、表面洗浄や原子欠陥の意図的な形成技法としても応用が見込まれることがわかった。今後、本実験結果と数値計算との比較によって、フェムト秒レーザー照射下におけるグラフェンの分子挙動を深く理解することが可能になるだろう。将来、原子数個分の厚さの材料をエンジニアリングする要素技術が確立すれば、量子科学産業の発展に大きく貢献するものと期待される。
図・表・数式 / Figures, Tables and Equations
その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)
成果発表・成果利用 / Publication and Patents
論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)
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Naohiro Kadoguchi, Nanoprocessing of Self-Suspended Monolayer Graphene and Defect Formation by Femtosecond-Laser Irradiation, Nano Letters, 23, 4893-4900(2023).
DOI: https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.3c00594
口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.
- 門口尚広, 自立グラフェン膜のフェムト秒レーザー加工・洗浄の検証, 第27回講演奨励賞, 応用物理学会東北支部, 2023年2月24日.
- 上杉祐貴, 門口尚広, 小林哲郎, 小澤祐市, 佐藤俊一, フェムト秒レーザーによる自立ナノ薄膜加工とその展開, レーザー学会学術講演会第43回年次大会 2023年1月18日.
- 門口尚広, 小林哲郎, 上杉祐貴, 小澤祐市, 佐藤俊一, 自立グラフェン膜のフェムト秒レーザー加工・洗浄の検証, 第77回応用物理学会東北支部学術講演会, 2022年12月1日.
- 上杉祐貴, 三輪泰斗, 門口尚広, 小林哲郎, 小澤祐市, 佐藤俊一, 齋藤晃, 超短パルスレーザーを使ったしきい値近傍アブレーションによる薄膜微細加工と表面洗浄技術, 第83回応用物理学会秋季学術講演会 2022年9月22日.
特許 / Patents
特許出願件数 / Number of Patent Applications：0件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件