グラフェン自己組織化による量子ドットパターニングに成功 - DTU、IBMなど

グラフェン自己組織化による量子ドットパターニングに成功 - DTU、IBMなど

画像提供:マイナビニュース

デンマーク工科大学(DTU)、オーフス大学、IBM、米ブルックヘブン国立研究所(BNL)などの研究チームは、グラフェンの自己組織化現象を利用して、微細な量子ドットのパターンを基板上に形成することに成功したと発表した。シリコン半導体の微細化限界を超える大容量メモリなどへの応用が期待される。研究論文は科学誌「Nature Communications」に掲載された。

今回の研究では、結晶方位(111)に揃ったイリジウム基板の表面にホウ素-炭素-窒素(BCN)で構成された単層二次元合金薄膜を形成した。そして、このプロセスにおいて材料ガスに含まれる炭素の構成比を上げていくと、点状のグラフェン(グラフェン量子ドット)が薄膜中に埋め込まれた状態で現れることを明らかにした。

走査トンネル顕微鏡(STM)による観察からは、グラフェン量子ドットの大きさは直径1.6±0.2nmであったと報告されている。これは炭素原子わずか15個分というサイズである。そして、このグラフェン量子ドットが互いに4nm程度の距離を空けて周期的に並んだパターンが、自己組織化的に形成されるという。

材料ガスに含まれるホウ素-窒素に対する炭素の比率を上げていくと、グラフェン量子ドット間の距離が縮まり、高密度のパターンになることもわかった。これは材料ガスの炭素濃度の調整によって量子ドットのパターン制御が可能なことを意味している。

研究チームは、サイズが均一に揃った量子ドットが得られる理由について、「グラフェンとBCN領域との境界エネルギー」と「モアレ型によって変わる基板との相互作用」という2つの力の競合関係、さらに「ドット間に働く斥力によってもたらされる長距離での組織化」を記述するモデルによって説明できるとしている。

このような微小なグラフェン量子ドットは人工的な原子のように振る舞うもので、メモリ、発電素子、バイオセンサ、オプトエレクトロニクスなど、さまざまな応用が考えられる。BCN薄膜だけでなく、その他の多様な原子層薄膜でもこのような自己組織化による量子ドットパターン形成を可能にすることが、同技術の実用化のための課題であると研究チームはコメントしている。
(荒井聡)

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