【碳素新產業】合成/分離技術（下）：石墨烯，帶隙開口見光明

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石墨烯：帶隙開口見光明

從石墨中成功分離出石墨烯已經有10年的時間。此前，採用石墨烯的元件存在兩大阻礙高性能的課題。

（1）沒有可獲得大面積單晶石墨烯的工業合成法、（2）未確立獲得帶隙的方法。

關於（1），2004年從石墨中分離石墨烯使用的是通過膠帶轉印的“機械剝離法”（圖3）。雖然也獲得了直徑達1mm的石墨烯結晶，但難以利用該方法量產元件。

圖3：高品質石墨烯的制造存在課題 圖為制造高品質石墨烯存在的技術課題。機械剝離法無法確立量產技術，而CVD法一般會形成多晶石墨烯，存在各種特性低的課題。其他制造技術也大多不適合單晶石墨烯的大面積化。

另一方面，作為獲得大面積石墨烯的技術，CVD法取得了進展，2012年前后，韓國三星泰科公司等制造了30英寸的石墨烯薄膜作為透明導電膜，而索尼利用卷對卷方式制造了長100m的石墨烯薄膜。

但實際上，這些薄膜是直徑10n∼100nm的微小石墨烯大量重疊形成的多晶，結晶方向也各不相同。即使可以作為透明導電膜使用，也遠未發揮石墨烯本來的特性。

讓少量結晶“長大”

最近，利用該CVD法也能獲得大面積單晶石墨烯的方法開始廣為人知。最重要的是用於催化劑的銅箔的品質。利用高品質銅箔，可獲得直徑約1mm的單晶石墨烯。

進一步增大單晶石墨烯直徑的方法有兩種（圖4）。（1）使多數石墨烯結晶的方向一致，讓邊界整齊相連、（2）大幅減少石墨烯結晶的數量，使一個結晶大幅成長。嘗試前者的是九州大學副教授吾鄉浩樹等人。採用后者的是美國德州大學奧斯汀分校的Rodney S.Ruoff等人。

圖4：成功地使少量結晶核增大 圖為面積較大的單晶石墨烯合成取得成功的兩種方法和結果。九州大學吾鄉研究室採用了使作為催化劑的銅箔的面方向一致的方法（a）。而德州大學奧斯汀分校的Ruoff研究室為了讓結晶之間盡量不碰撞，採用了減少結晶核密度的方法（b）。兩種方法的載流子遷移率作為基板上的石墨烯來說都非常高。（（b）由德州大學奧斯汀分校拍攝）

目前，從結晶尺寸來看，獲得了直徑約1cm的單晶石墨烯的Ruoff等人更勝一籌。吾鄉獲得的結晶直徑約為1mm，而且結晶間的邊界“以五元環和七元環連接，殘留著接縫”（吾鄉）。（2）具體來說就是通過向銅箔噴氧，使表面暫時氧化，從而難以形成石墨烯結晶的方法。這樣就能減少結晶間的沖突，使單晶大幅成長。

CNT已經制作出了55cm長的產品，Ruoff認為制造出直徑1m級的單晶石墨烯也只是時間的問題。不過，在使單個結晶生長的方法中，結晶變大需要相當長的時間。Ruoff等人使直徑增長1cm需要12個小時。如果把直徑擴大到1m，需要50多天。