日比野浩樹1 影島博之2
1機能物質科学研究部 2量子電子物性研究部
１〜１０層程度の極薄グラファイト膜であるグラフェン*が、次世代エレクトロニクス材料として注目を集めている[1]。これまで、グラフェンのデバイス特性は、バルクグラファイトから剥離したグラフェン片[1]とSiC基板を加熱して成長したエピタキシャルグラフェン[2]に対して調べられてきた。エピタキシャルグラフェンはウェハスケールでの成長が可能で、デバイス集積に適している。しかしながら、集積デバイスへの応用には、所望の層数のグラフェンを大面積に成長する必要がある。そこで我々は、この目的の達成に不可欠な、エピタキシャルグラフェンの層数をミクロに評価する技術を確立したので報告する[3]。
SiC上に成長したエピタキシャルグラフェンの層数は、低エネルギー電子顕微鏡（LEEM）を用いて測定した電子の反射率のエネルギー依存性に現れる量子的な振動から決定する。図１は、4H-SiC(0001)基板に成長したグラフェンのLEEM像であり、電子の鏡面反射率をマッピングしたものに対応する。図１から、グラフェンが電子反射率の異なる複数の領域からなり、それらの相対的な強度がエネルギーに依存することが分かる。図２は、図１中のA-H領域の反射率のエネルギー依存性であり、反射率の振動を明瞭に示している。
電子のバンド構造は、バルクグラファイトでは連続的であるが、グラフェンにおいては、その厚さが有限であるため、離散的となる。離散的なエネルギーレベルと電子線のエネルギーが一致すれば、電子は共鳴的にグラフェンを透過するため、反射率が減少する。したがって、グラフェン層数は、反射率のエネルギー依存性に現れるディップの数から直接的に求まる。我々は、タイトバインディング計算および第一原理計算から求めたエネルギーレベルが、反射率のディップの位置を再現することから、この層数評価法が正しいことを明らかにした。LEEMによりグラフェン層数を、成長後その場でミクロに評価する技術は、エピタキシャルグラフェンの成長制御に大いに貢献することが期待される。
本研究は科学研究費補助金基盤研究（B）（No. 19310085）の援助を受けて行われた。
*グラフェンは本来、グラファイトシート一層のことであるが、ここでは1〜10層程度の極薄グラファイト膜をグラフェンと総称する。
[1] K. S. Novoselov and A. K. Geim, Nature Materials 6 （2007） 184.
[2] C. Berger, et al., Science 312 （2006） 1191.
[3] H. Hibino, et al., Phys. Rev. B 77 （2008） 075413; H. Hibino, et al., e-J Surf. Sci. Nanotechnol. 6 （2008） 107.
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