2010 年、ガイムとノボセロフはグラフェンに関する研究でノーベル物理学賞を受賞しました。この賞は多くの人に深い印象を残しました。結局のところ、ノーベル賞を受賞したすべての実験ツールが粘着テープほど一般的であるわけではありませんし、すべての研究対象が「二次元結晶」グラフェンほど魔法的で理解しやすいわけでもありません。2004年の作品が2010年に受賞する可能性は、近年のノーベル賞受賞実績の中では珍しいことだ。
グラフェンは、二次元のハニカム六角格子状に緻密に配置された炭素原子の単層からなる物質の一種です。ダイヤモンド、グラファイト、フラーレン、カーボンナノチューブ、アモルファスカーボンと同様に、炭素元素から構成される物質（単体）です。下の図に示すように、フラーレンとカーボン ナノチューブは、グラフェンの単一層から何らかの方法で巻き上げられ、グラフェンの層が何層にも積み重ねられていることがわかります。グラフェンを利用してさまざまな炭素単体（グラファイト、カーボンナノチューブ、グラフェン）の性質を記述する理論研究は60年近く続いてきましたが、一般にこのような二次元材料は単独で安定に存在することが難しいと考えられており、三次元基板の表面またはグラファイトなどの物質の内部にのみ付着します。2004 年にアンドレ・ガイムと彼の学生コンスタンチン・ノボセロフが実験を通じてグラファイトからグラフェンの単層を剥ぎ取って初めて、グラフェンの研究は新たな発展を遂げました。
フラーレン（左）とカーボンナノチューブ（中央）はいずれも単層のグラフェンによって何らかの形で巻き上げられているとみなすことができますが、グラファイト（右）はファンデルワールス力の関係により複数層のグラフェンが積み重なっていると考えられます。
現在、グラフェンはさまざまな方法で入手できますが、方法によってはそれぞれ長所と短所があります。ゲイムとノボセロフは簡単な方法でグラフェンを入手しました。スーパーマーケットで入手できる透明なテープを使用して、高次熱分解黒鉛から、厚さの炭素原子が 1 層しかないグラファイト シートであるグラフェンを剥がしました。これは便利ですが、制御性があまり良くなく、100ミクロン（10分の1ミリメートル）以下の大きさのグラフェンしか得られず、実験には使えますが、実用化は困難です。アプリケーション。化学気相成長法では、金属表面上に数十センチメートルのグラフェンサンプルを成長させることができます。一貫した配向を持つ領域はわずか 100 ミクロン [3,4] ですが、一部の用途の生産ニーズには適しています。もう1つの一般的な方法は、真空中で炭化ケイ素（SIC）結晶を1100℃以上に加熱することです。これにより、表面近くのケイ素原子が蒸発し、残った炭素原子が再配列され、これによっても良好な特性のグラフェンサンプルを得ることができます。
グラフェンは、銅と同様に優れた電気伝導性を持ち、既知のどの材料よりも優れた熱伝導性を備えたユニークな特性を備えた新しい素材です。とても透明度が高いです。垂直入射可視光のごく一部 (2.3%) のみがグラフェンに吸収され、ほとんどの光は通過します。非常に密度が高いため、ヘリウム原子（最も小さな気体分子）ですら通過できません。これらの魔法の特性はグラファイトから直接受け継がれたものではなく、量子力学から受け継がれたものです。そのユニークな電気的および光学的特性により、幅広い応用の可能性が決まります。
グラフェンは登場してからわずか 10 年足らずですが、物理学や材料科学の分野では非常にまれな多くの技術的応用を示しています。一般的な材料が実験室から実際の生活に移されるまでには、10 年以上、さらには数十年かかります。グラフェンの用途は何ですか?2 つの例を見てみましょう。
柔らかい透明電極
多くの電気製品では、電極として透明な導電性材料を使用する必要があります。電子時計、電卓、テレビ、液晶ディスプレイ、タッチスクリーン、ソーラーパネル、その他多くの機器は透明電極の存在を離れることはできません。従来の透明電極には酸化インジウムスズ (ITO) が使用されていました。インジウムは価格が高く、供給が限られているため、材料は脆く柔軟性に欠け、電極は真空の中間層に蒸着する必要があり、コストが比較的高くなります。長い間、科学者たちはその代替品を見つけようと努力してきました。透明性、導電性の良さ、作製の容易さといった要件に加え、材料自体の柔軟性が良ければ「電子ペーパー」などの折り畳み可能な表示装置の作製に適しています。したがって、柔軟性も非常に重要な側面です。グラフェンは透明電極に非常に適した材料です。
サムスンと韓国の成ジュン関大学の研究者は、化学気相成長法によって対角長 30 インチのグラフェンを取得し、それを厚さ 188 ミクロンのポリエチレン テレフタレート (PET) フィルムに転写して、グラフェン ベースのタッチ スクリーンを製造しました [4]。下図に示すように、銅箔上に成長させたグラフェンをサーマル剥離テープ（青色の透明部分）で貼り付け、その後化学的手法により銅箔を溶解し、最後に加熱によりグラフェンをPETフィルムに転写します。 。
新型光電誘導装置
グラフェンは非常にユニークな光学特性を持っています。原子の層は 1 層しかありませんが、可視光から赤外線までの全波長範囲で放射光の 2.3% を吸収します。この数値はグラフェンの他の材料パラメーターとは何の関係もなく、量子電気力学によって決定されます [6]。吸収された光はキャリア（電子と正孔）の生成につながります。グラフェンにおけるキャリアの生成と輸送は、従来の半導体におけるキャリアの生成と輸送とは大きく異なります。このため、グラフェンは超高速光電誘導装置に非常に適しています。このような光電誘導装置は 500ghz の周波数で動作すると推定されています。信号伝送に使用すると、1 秒あたり 5,000 億個のゼロまたは 1 を送信でき、2 枚のブルーレイ ディスクのコンテンツの送信を 1 秒で完了できます。
米国の IBM トーマス J. ワトソン研究センターの専門家は、グラフェンを使用して 10 GHz の周波数で動作できる光電誘導デバイスを製造しました [8]。まず、厚さ300nmのシリカで覆われたシリコン基板上に「テープ引き裂き法」によりグラフェンフレークを作製し、その上に間隔1ミクロン、幅250nmのパラジウム金またはチタン金電極を作製した。このようにして、グラフェンベースの光電誘導素子が得られる。
グラフェン光電誘導装置の概略図と実際のサンプルの走査型電子顕微鏡（SEM）写真。図中の黒い短い線は 5 ミクロンに相当し、金属線間の距離は 1 ミクロンです。
研究者らは実験を通じて、この金属グラフェン金属構造光電誘導デバイスが最大16GHzの動作周波数に達し、300nm（近紫外）から6ミクロン（赤外）の波長範囲で高速動作できることを発見した。従来の光電誘導管は、より長い波長の赤外線には反応できません。グラフェン光電誘導装置の動作周波数にはまだ改善の余地が大きい。その優れた性能により、通信、遠隔制御、環境監視など幅広い用途が期待できます。
ユニークな特性を持つ新素材として、グラフェンの応用研究が次々と生まれています。ここでそれらを列挙することは困難です。将来的には、グラフェンを使った電界効果管、グラフェンを使った分子スイッチ、グラフェンを使った分子検出器が日常生活に登場するかもしれません…実験室から徐々に出てくるグラフェンは、日常生活の中で光り輝くことになるでしょう。
近い将来、グラフェンを使用したエレクトロニクス製品が多数登場すると予想されます。スマートフォンやネットブックを、使用しないときに丸めたり、耳に挟んだり、ポケットに詰めたり、手首に巻き付けたりできたらどんなに面白いだろうかと考えてみましょう。
投稿時間: 2022 年 3 月 9 日