グラフェンによるナノ材料の精密配置で産業規模デバイス統合を実現

ナノ材料は比類なき光学的・電気的特性を備え、主流半導体製造へのボトムアップ統合が期待されています。しかし、チップ上の指定位置への精密かつ無汚染な堆積は依然として大きな障壁です。グラフェン—極めて薄く、強靭、柔軟、高導電—が変革的な解決策を提供します。

IBMリサーチ・ブラジルの産業技術科学グループでは、ナノ材料—ミリメートルの百万分の一サイズの粒子—を開発・応用・スケールアップし、大量生産用途に向けています。30年前には単一原子の観測・操作は不可能でしたが、現代技術ではナノスケール挙動の探査とモデリングが可能です。

新論文「溶液からのグラフェンを用いた指向性ナノ材料配置による大規模デバイス統合」が『Nature Communications』に掲載され、我々と学術共同研究者たちは、グラフェンを通電させることで、固体表面上の任意の位置にほぼ完璧な97%の収率で材料を堆積できることを初めて証明しました。

グラフェンを用いることで、ウェーハスケールのナノ材料統合がナノメートル精度で可能になります。特定のナノスケール位置への堆積だけでなく、複数サイトへの並列実行も実証され、大量統合を実現します。この成果は特許取得済みです（US9412815B2）。

固体基板上の大きなグラフェン層に構造化された対向するグラフェン電極間で、電場支援によりナノスケール材料を配置するアーティストのレンダリング。量子ドット（赤）、カーボンナノチューブ（灰色）、二硫化モリブデンナノシート（白/灰色）が、グラフェンベースの電場支援配置法に基づく大規模組み立て可能な0D、1D、2Dナノ材料の代表例として示されている。

グラフェンは電場を支える最薄の導電材料です。この電場を利用してナノ材料をグラフェンシート上に誘導します：設計されたグラフェン電極の形状とパターンが最終的な配置を決定します。これにより、ナノ材料構築における前例のない精度が得られます。従来の手法は銅などの金属に依存しますが、銅は組み立て後にきれいに除去できず、性能を損なうかナノ材料を破壊します。グラフェンは精度と容易な除去の両立を可能にします。

この手法はナノ材料の形状—量子ドット、カーボンナノチューブ、二次元ナノシート等—に依存しません。機能的なトランジスタを作製し、その性能を評価しました。エレクトロニクス以外にも、ラボオンチップ微流体デバイスでの粒子操作・トラッピングへの応用が可能です（US20170292934A1）。

グラフェンベースのナノ材料配置の進展は、次世代太陽電池、スマートフォン・タブレット向け高速プロセッサ、電気的に制御可能なオンチップ量子光エミッターや検出器などの量子デバイスを可能にします。これらのデバイスは単一光子の放出・検出が可能で、安全な量子通信に不可欠です。

我々の研究は、グラフェンが標準材料では不可能な方法でナノ材料を統合できることを示し、野心的なグラフェン旗艦イニシアティブの目標である産業規模エレクトロニクス製造への道を開きます。産業界と提携し、知識創出、技術開発、このボトムアップ統合手法の採用を加速させることを目指します。

Graphene‑enabled and directed nanomaterial placement from solution for large‑scale device integration. Nature Communications. DOI: 10.1038/s41467-018-06604-4.