グラフェン/鉄上へのInPナノワイヤ成長

舘野功太 章 国強 後藤秀樹
量子光物性研究部

 最近、Cuフォイル上にロールツウロール法によってグラフェンを大面積に作製する報告がなされている。グラフェンは200,000 cm2V–1s–1を超える高い移動度を有し、フレキシブル基板等に転写することで、伸縮、折り畳み可能で透明な電子、光デバイスが実現可能となる[1]。ここではSiC(0001)基板上とFe上に形成されたグラフェン上へのInPナノワイヤについて報告する。VLS (vapor-liquid-solid) 成長法はフリースタンディングのナノワイヤを形成する手法である。ナノワイヤ成長はナノサイズの金属触媒微粒子中で進行する。この特徴を利用して、グラフェン上にp-n接合、量子ドットやコア・シェル構造等を作製し、新しいフレキシブルデバイスを実現する。
 成長は減圧横型のMOVPE (MetalOrganic Vapor Phase Epitaxy) 装置を用いた。原料はTMIn (trimethyl-indium)、TBP (tertiarybutylphosphine)を使用した。触媒として金微粒子を用いた[2]。構造はSEM (Scanning Electron Microscopy)とTEM (Transmission Electron Micro-scop)を主に用いて観察した。III-V族ナノワイヤは[111]B方向に成長しやすい。図1にグラフェン/SiC(0001)基板上に成長したInPナノワイヤとIn球を示す。ナノワイヤが垂直に成長していることから、2Dのグラフェン表面に(111)B面が形成されることがわかった。しかしながら、TBPの低い分解効率から、幾つかのAu微粒子では結晶のInPが生じず、In球となる。これはグラフェン表面にTBPを分解する活性サイトが少ないことと、In原子との結合が弱いことに起因すると考えられる。我々は、また、フレキシブルデバイス応用のためにグラフェン/金属上のInPナノワイヤ成長も検討した。Cu、Ni、Feで検討したところ、グラフェン/Fe上でのみInPナノワイヤ成長に成功した。CuとNiではPとの反応性が高く、表面モホロジーが大きく変化したため、ナノワイヤ成長に至らなかった。FeはCと様々な化合物を形成し、スチールと呼ばれる強度の高い状態となる。このスチール形成がその後のInPナノワイヤ成長を可能にしたものと考えられる。図2にサボテンの針状に成長したグラフェン/Feマイクロワイヤ上InPナノワイヤを示す。低温でCL (CathodoLuminescence)を確認することができた。この系は将来的にナノワイヤのフレキシブルデバイス応用に有望であると考えられる。

[1]
S. Bae et al., Nature Nanotech. 5 (2010) 574.
[2]
K. Tateno et al., Jpn. J. Appl. Phys. 53 (2014) 015504.
図1
 グラフェン/SiC(0001)上InPナノワイヤとIn球のBright-field (BF) TEM 像。
図2
 グラフェン/Feマイクロワイヤ上InPナノワイヤのSEM像とCL像 (下は14 Kで測定)。