[論文レビュー] Production, Processing and Placement of Graphene and Two Dimensional Crystals

Francesco Bonaccorso, Antonio Lombardo+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 13, 2012

Graphene research and applications参考文献 9被引用数 8

ひとこと要約

本稿は、グラフェンおよび二次元（2D）結晶のスケーラブルなプロダクション、プロセッシング、配置技術についてレビューし、化学的蒸着法（CVD）、液体相剥離法、および移行手法に焦点を当てる。これらの手法により、電子機器、オプトエレクトロニクス、複合材料分野における大規模でコスト効率の高い高品質2D材料の製造が可能であることを示している。

ABSTRACT

Graphene is at the centre of an ever growing research effort due to its unique properties, interesting for both fundamental science and applications. A key requirement for applications is the development of industrial-scale, reliable, inexpensive production processes. Here we review the state of the art of graphene preparation, production, placement and handling. Graphene is just the first of a new class of two dimensional materials, derived from layered bulk crystals. Most of the approaches used for graphene can be extended to these crystals, accelerating their journey towards applications.

研究の動機と目的

• 実用的応用を可能にするために、産業規模、低コスト、信頼性の高いグラフェンおよび2D材料のプロダクションニーズに対応する。
• 機械的剥離、化学的蒸着法（CVD）、液体相剥離法を含む主な合成手法を体系的に評価・比較する。
• フレキシブルおよび誘電体基板を含む多様な基板へのグラフェンおよび2D材料の統合を可能にする、移行および配置戦略を検討する。
• 本レビューの手法を他の2D材料およびヘテロ構造へ応用し、ナノエレクトロニクスおよびフォトニクス分野における新しいデバイス概念を実現する。
• 今後の2D材料ベース技術の商業化に向けたスケーラビリティ、欠陥制御、統合の分野における主な課題を特定する。

提案手法

• マイクロメカニカルクリーブ、CVD、SiC上エpitaxial成長、化学的合成を含む11の主要なグラフェンプロダクション技術をレビューおよび分類する。
• 移行、ドーピング、自己集合単分子膜による表面官能化を含む、プロダクション後のプロセッシング手法を分析する。
• インク配合および大面積フィルム堆積のための液体相剥離（LPE）およびディスpersiónベース技術を評価する。
• デイエレクトロフォレシス（DEP）、インクジェット印刷、溶媒熱合成を用いた高精度なヘテロ構造アセンブリを調査する。
• イオン液体および界面活性剤（例：SDBS、SC）を用いてディスパersionを安定化させ、フラックサイズおよび層数を制御する。
• ヘキサゴナルボロンナイトライド（h-BN）およびSiO₂などの誘電体と2D材料を統合することで、高性能ヘテロ構造を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 産業スケールで、高品質なグラフェンおよび2D結晶を効率的かつ低コストで生産するための最もスケーラブルでコスト効率の良い手法は何か？
• RQ2 グラフェンおよび2D材料の基板への移行を最適化することで、材料の品質を保持し、デバイス統合を可能にする方法は何か？
• RQ3 液体相剥離およびディスパersion技術をどれほど制御できるか。均一で少数層または単層フラックを、調整可能な横方向寸法で得られるか？
• RQ4 DEP、インクジェット印刷、または溶媒熱合成などの手法を用いて、2D材料のヘテロ構造を原子レベルの精度でアセンブルできるか？
• RQ5 実用的なエレクトロニクスデバイス用に、誘電体基板上に大面積で均一で高移動度の2Dフィルムを直接形成するにあたり、直面する主な課題は何か？

主な発見

• 化学的蒸着法（CVD）は、タッチスクリーンや透明導電フィルムに適した大面積で高品質なグラフェンフィルムを生成するための主要な手法として浮上している。
• 液体相剥離（LPE）は、2D材料のインクおよびディスパersionの生成を可能にし、スケーラブルな印刷および複合材料の製造に応用可能である。
• 移行技術は依然として主要なボトルネックである。進展は見られるが、信頼性が高く、低コストで欠陥を最小限に抑える移行プロセスはまだ開発中である。
• 異なる2D材料（例：グラフェン/h-BN）を積層したヘテロ構造は、電子的特性を調整可能な新しいエレクトロニクスおよびオプトエレクトロニクスデバイスに有望である。
• 界面活性剤の最適化および密度勾配超遠心分離（DGU）などの分離技術を用いることで、LPE由来のディスパersionにおける層数、横方向寸法、フラック厚さの制御を向上させることができる。
• ベンゼンを構築ブロックとして用いた化学的合成および表面官能化のアプローチにより、原子的に正確なグラフェンナノリブや量子ドットを、ドーピングを制御して作成可能である。