グラフェンの応用はどこまで可能か

ナノカーボン材料の産業応用

グラフェンの量産と応用への展望

グラフェンは，極限的な電子デバイスや酸化インジウムスズ(ITO)を代替する透明導電膜材料の候補として期待されている。最近，ニッケルや銅などの金属箔を基材とする化学気相蒸着法（CVD）によるグラフェンの大面積合成技術が開発され，実用化への期待がさらに高まっている。産総研では，マイクロ波プラズマCVDを利用したグラフェンの低温・高速合成により，大量生産実現を目標とした研究開発を進めている。本手法の概要と特長を紹介し，グラフェン量産の可能性と課題について議論する。

Towards Industrial Applications of Graphene Electrodes
（グラフェン電極の産業応用に向けた取り組み）

There have been many efforts to utilize the outstanding properties of graphene for macroscopic applications such as transparent conducting films useful for flexible/stretchable electronics. However, the lack of efficient synthesis, transfer, and doping methods limited the scale and the quality needed for the practical production of graphene films. In this presentation, we introduce ultra-large scale (~30 inch) synthesis, roll-to-roll transfer, and chemical doping of graphene films showing excellent electrical and physical properties suitable for practical applications. Considering the outstanding scalability/processibility of roll-to-roll and CVD methods and the extraordinary flexibility/conductivity of graphene films, we expect the commercial production and application electrodes replacing the use of ITO can be realized in near future [1,2].
[1] S. Bae et al. Nature Nanotech. 5, 574 (2010).
[2] K. S. Kim et al. Nature 457, 706 (2009).

（グラフェンの突き抜けた特性をフレキシブル・デバイスに向けた透明電極といったマクロスケールの用途に用いる試みが増えている。ただし，これまではグラフェンの形成，転写，ドーピング方法が十分に確立されておらず，実用化には寸法や品質の点で課題があった。本講演では，我々が開発した対角30インチの非常に大型のグラフェン・フィルム，そしてロール・ツー・ロール方式による転写，化学的ドーピング方法を紹介する。同フィルムは，実用化に向けて優れた電気的，物理的特性を備えている。ロール・ツー・ロール方式とCVD（化学的気相成長）法が持つ非常に高いスケーラビリティと生産性，そしてグラフェン・フィルムの極めて高いフレキシブル性と電気伝導度を考えると，近い将来にグラフェン・フィルムを商業的に量産し，ITOを代替することも可能だと考えている。）

グラフェンの光・電子デバイス応用　――現状と展望

六員環構造である炭素原子の単層シート：グラフェンは，電荷キャリアが相対論的粒子として振る舞い，バンドギャップレス，キャリア有効質量消失，巨大キャリア移動度など，通常の二次元電子系とは異なる特異な電子物性を有する。巨大キャリア移動度や極限的なチャネル薄層化のメリットを活かしたトランジスタ応用の研究が進む一方，極めて広い周波数範囲で一様な光吸収特性や非平衡光励起キャリアの超高速緩和過程を利用したテラヘルツ帯から光波帯での各種機能応用の研究も進展している。これら特異な光電子物性で注目されるグラフェンの光・電子デバイス応用について，現状と展望を述べる。

大面積グラフェンのCVD合成とトランジスタ応用

グラフェンの化学気相成長（CVD）法による大面積合成と，そのトランジスタ応用について述べる。合成に関しては，触媒種類や合成条件のグラフェンの質・層数への依存性を，またトランジスタ応用に関しては，転写を用いないトランジスタ作製法や実用化に向けた課題について，主として説明する。

グラフェンの見通しについて

2010年のノーベル物理学賞の対象となり，今後の応用展開が期待されるグラフェンであるが，アプリケーションに関してはまだこれからの素材である。グラフェンも様々な合成法があり，用途に応じて適合させていく必要があると思われる。先行して利用が始まっているカーボンナノチューブと比較しながら，今後どのような展開が考えられるか検討を行う。

シリコン・カーバイド（SiC）からのグラフェン成長

SiC基板を加熱してSi原子を選択的に脱離させることによってグラフェンを成長する手法を用いて，グラフェンのエレクトロニクス応用に欠かせない単結晶基板を創製することを目指している。これまで，電子顕微鏡によるグラフェン層数評価に基づき，均一性の高い1層および2層グラフェンを作製することに成功した。また，これら高均一グラフェンを用いて，1層と2層グラフェンでは電気伝導特性が大きく異なることを明らかにした。

各種成膜法によって作製したグラフェン透明導電膜の特性

新規カーボン材料であるグラフェンはさまざまな電子デバイス応用として非常に魅力的であり，透明導電膜として応用した場合にも次のような特徴が期待される。（1）赤外領域で高い透過率，（2）希少金属を必要としないことから低コスト，低環境負荷が可能。このような透明導電膜は従来の太陽電池はもちろんのこと，太陽光の全ての光を変換する超高効率太陽電池において変換効率の向上には必要不可欠なものである。低コストプロセスが可能な化学的剥離と高品質化が可能なCVD法によってグラフェンを成膜し，試作したグラフェン透明導電膜の特性を紹介するとともに，実用化への課題と今後の展望について解説する。