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グラフェンの機能と応用展望

  • Graphene:Functions and Applications
※こちらの書籍は,電子書籍(eBook)として販売をしております。
・価格4,400円(税抜)
丸善販売サイト「Knowledge Worker」にてPDF版販売中!
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★ 急速に研究が広がる新規ナノ炭素材料“グラフェン”の最新研究開発動向!
★ 高いキャリア移動度、量子ホール効果、エッジ状態など、特異な物性とその原理を詳述!
★ 実用化のためのグラフェン作製と評価法およびデバイス化の最新技術を網羅!

商品コード: T0697

  • 監修: 斉木幸一朗・徳本洋志
  • 発行日: 2009年7月
  • 価格(税込): 70,200 円
  • 体裁: B5判、273ページ
  • ISBNコード: 978-4-7813-0146-4

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  • グラフェン / ナノカーボン / 量子ホール効果 / グラファイト / 半導体

刊行にあたって

 グラファイトは機械的、熱的、電気的に優れた性質を持つため古来より工業的に重用され、また、その電子状態の解明も古くからなされてきた。2004年、バルクグラファイトを粘着テープで劈開してSiO2基板上へ擦りつけることによって単層のグラファイト(グラフェン)が単離され、それが高い移動度、量子ホール効果などの興味深い物性を発現することが明らかになって燎原の火のように世界中にグラフェン研究が広がり、今日に至っている。一方エッジ局在状態などに起因した異常な電子状態は1990年代から着目されていたが、現在のグラフェン研究の中でその重要性があらためて認識されている。
 固体物理における基礎科学的な興味に加えて、その高い移動度は新しい半導体材料としての応用が期待され、さらにグラフェンが示す量子現象を新奇デバイスへ展開する研究も始められ、まさに基礎から応用に至る広範囲な物質科学の領域でグラフェンはホットマテリアルになっている。このような現状に鑑み、現在までの研究成果を理論、物性、デバイス応用の多岐にわたって網羅した本があることは、これからグラフェンの研究に参入する研究者、技術者のみならず、現在グラフェンの研究をおこなっている者にとっても有意義であると考えられる。今回、企画するにあたり、研究の今後の広がりを意識してグラフェンの新しい製法や、酸化グラフェン、カーボンナノウォール、カーボンアロイ触媒も含めることにした。進展の激しいこの分野においては現在研究に参画している者にとっても、周辺領域の情報が役に立つと考えたからである。
 執筆者の方々にはお忙しい中を短い執筆期限の中で原稿を仕上げていただき深甚なる感謝を申し上げたい。現在、我が国でグラフェン研究を第一線でおこなっている多くのグループの方々の協力を得て刊行される本書が、上記の目的遂行の一助となれば監修に携わったものとして望外の喜びである。
(「はじめに」より)

2009年7月  斉木幸一朗、徳本洋志

 

著者一覧

青木秀夫   東京大学大学院 理学系研究科 物理学専攻 教授
初貝安弘   筑波大学大学院 数理物質科学研究科 物理学系 教授
池田隆司   (独)日本原子力研究開発機構
S.F.Huang   北陸先端科学技術大学院大学 先端融合領域研究院
M.Boero   北陸先端科学技術大学院大学 先端融合領域研究院;Imstitute of Physics andChemistry of Materials―CNRS、Strasbourg、France
寺倉清之   北陸先端科学技術大学院大学 先端融合領域研究院 特別招聘教授
中村 淳   電気通信大学 電気通信学部 電子工学科 准教授
宮崎久生   (独)物質・材料研究機構 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点;JST-CREST
日浦英文   日本電気(株) ナノエレクトロニクス研究所 主任研究員;(独)物質・材料研究機構 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点
塚越一仁   (独)物質・材料研究機構 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点 主任研究者;JST-CREST
神田晶申   筑波大学 大学院数理物質科学研究科 講師
菅原克明   東北大学 原子分子材料科学高等研究機構 助手
佐藤宇史   東北大学 大学院理学研究科 助教
高橋 隆   東北大学 原子分子材料科学高等研究機構 教授
福井賢一   大阪大学 大学院基礎工学研究科 物質創成専攻 教授
小林陽介   東京工業大学 大学院理工学研究科(現:(株)三菱化学 科学技術研究センター)
榎 敏明   東京工業大学 大学院理工学研究科 化学専攻 教授
八木隆多   広島大学 大学院先端物質科学研究科 准教授
山内 泰   (独)物質・材料研究機構 量子ビームセンター・原子ビームグループ グループリーダー
圓谷志郎   (独)物質・材料研究機構 量子ビームセンター・原子ビームグループ(現:(独)日本原子力開発機構 先端基礎研究センター)
永瀬雅夫   日本電信電話(株) NTT物性科学基礎研究所 量子電子物性研究部 主任研究員
末光眞希   東北大学 電気通信研究所 教授
上野啓司   埼玉大学 大学院理工学研究科 物質科学部門 准教授
徳本洋志   中央大学 大学院理工学研究科 客員教授;(独)産業技術総合研究所 ナノテクノロジー研究部門 客員研究員
清水哲夫   (独)産業技術総合研究所 ナノテクノロジー研究部門 主任研究員
安藤 淳   (独)産業技術総合研究所 エレクトロニクス研究部門 主任研究員
堀  勝   名古屋大学 大学院工学研究科 電子情報システム専攻 教授、工学研究科附属プラズマナノ工学研究センター兼任
平松美根男   名城大学 理工学部 電気電子工学科 教授
斉木幸一朗   東京大学 大学院新領域創成科学研究科 教授
島田敏宏   東京大学 大学院理学系研究科 化学専攻 准教授
野口卓也   東京大学 大学院理学系研究科 化学専攻 大学院生
半澤明範   東京大学 大学院理学系研究科 化学専攻 技術職員
長谷川哲也   東京大学 大学院理学系研究科 化学専攻 教授
尾辻泰一   東北大学 電気通信研究所 教授
白石誠司   大阪大学大学院 基礎工学研究科 准教授(JST さきがけ 兼任)
二瓶瑞久   (株)富士通研究所 ナノエレクトロニクス研究センター 主任研究員

目次

【 I 理論 】

第1章 グラフェンの特異な物理
1. はじめに
2. グラフェンの試料
3. グラフェンの構造とバンド構造―massless Dirac粒子
4. グラフェンのさまざまな異常物性
4.1 電気抵抗―Zitterbewegung
4.2 量子ホール効果
4.2.1 クラインのパラドックス
4.2.2 光学物性
4.2.3 スピン・ホール効果
4.2.4 負の屈折率
4.2.5 多体ギャップを持った状態
4.2.6 超伝導
5. グラフェンの特異なランダウ準位と量子ホール効果
5.1 グラフェンのランダウ準位
5.2 グラフェンの量子ホール効果
5.3 グラフェンの量子ホール効果のトポロジカルな見方
6. グラフェンの端状態―平坦バンド
7. いくつかの話題
7.1 多層グラフェン
7.2 Dirac cone
7.3 N=0ランダウ準位の分裂―多体効果の可能性
8. おわりに

第2章 グラフェンのエッジ状態の起源
1. エッジ状態とは
1.1 エネルギーバンドと束縛状態
1.2 エッジ状態とバルク・エッジ対応
2. グラフェンとディラック電子
2.1 ゼロギャップ半導体
2.2 グラフェンとベリー位相
3. グラフェンのエッジ状態とバルク・エッジ対応
3.1 ジグザグ境界とアームチェアー境界
3.2 ベリー位相とカイラル対称性、ゼロモードエッジ状態
3.3 磁場下のグラフェンの2種類のエッジ状態
3.4 カイラル対称性の破れと境界磁化

第3章 ドープしたグラフェンの電子状態・触媒活性
1. はじめに
2. グラフェンの電子状態
2.1 ジグザグエッジ状態
2.2 窒素置換の効果
3. カーボンアロイの触媒活性
3.1 第一原理分子動力学に基づいた化学反応のシミュレーション法
3.2 酸素分子吸着過程
3.2.1 ベーサル面の場合
3.2.2 アームチェアエッジの場合
3.2.3 ジグザグエッジの場合
3.3 酸素分子還元過程
3.3.1 エンドオン構造の場合
3.3.2 サイドオン構造の場合
3.4 触媒サイクル
4. おわりに

第4章 酸化グラフェンとコンポジット材料の電子状態
1. はじめに
2. 酸化プロセスによるグラフェンの精製と酸化グラフェン
3. グラフェンのunzipping
4. ナノスケール折紙(ORIGAMI)
5. グラフェン誘導体の物性制御


【 II グラフェンの物性、評価 】

第5章 グラフェンの作製、膜厚の評価、観察
1. グラフェンの作製方法と評価法の背景
2. 簡単簡易グラフェン判定法
3. さらに新たなグラフェン観察法
4. おわりに

第6章 グラフェンの超伝導近接効果
1. はじめに
2. 単層グラフェンにおける相対論的ジョセフソン効果:理論的側面
3. グラフェンでできたジョセフソン接合の伝導特性の実験
3.1 素子構造
3.2 ゼロバイアス抵抗の温度依存
3.3 電流電圧特性
3.4 超伝導臨界電流の温度依存性
4. おわりに

第7章 グラフェンの光電子分光
1. はじめに
2. 光電子分光
3. グラフェンの電子構造
4. グラフェンの角度分解光電子分光
5. エッジ局在状態
6. 今後の展望

第8章 STM/STSによるグラフェン端の電子状態解析
1. 背景
2. STM/STSの測定原理
3. 解析に適した試料の調製
4. 水素終端したグラフェン端に生じるエッジ状態
5. 今後期待される研究展開

第9章 単層グラフェンの輸送現象
1. ゼロ磁場の伝導
1.1 伝導度のゲート電圧依存性
1.2 電子ホールパドル
1.3 移動度の向上の試み
1.4 ガスセンサーとしての応用
2. 磁場中伝導
2.1 グラフェンのシュブニコフドハース振動
2.2 量子ホール効果
2.3 最小伝導度点付近における磁気抵抗
3. 電子コヒーレンス効果
3.1 AB効果
3.2 弱局在

第10章 ニッケル単結晶基板上グラフェンのスピン偏極
1. はじめに
2. 単層グラフェンの成膜
3. スピン偏極準安定脱励起分光法(SPMDS)
4. グラフェンの電子状態とスピン偏極
5. おわりに


【 III 新しい作製法 】

第11章 SiC上のグラフェン成長と電気特性
1. はじめに
2. SiC上グラフェンの特徴
3. 層数同定技術
3.1 各種のSiC上グラフェンの膜厚計測方法
3.2 低エネルギー電子顕微鏡による層数同定技術
3.3 各種の顕微鏡法によるSiC上グラフェン像
4. 局所導電率計測
4.1 集積化ナノプローブ
4.2 ナノグラフェンの導電率像
4.3 2層グラフェンの局所導電率
5. 集積デバイス実現にむけて

第12章 シリコン基板上のグラフェン薄膜成長  
1. グラフェンデバイスの展望と課題
2. グラフェン形成とグラフェン・オン・シリコン(GOS)技術
3. 有機シランガスソースMBE法によるSi基板上SiCヘテロエピ成長
3.1 低温化バッファ層形成技術
3.2 赤外干渉法を用いたSi基板上SiC薄膜成長リアルタイム・モニタリング技術
3.3 Si基板上SiC薄膜成長条件の最適化
4. Si基板上SiC薄膜の上のグラフェン形成とそのラマン評価
4.1 グラフェンのラマン散乱分光による評価
4.2 Si基板上グラフェンのラマン評価
5. おわりに

第13章 グラフェンの化学的作製法と有機半導体素子電極への応用
1. はじめに
2. グラファイト単結晶の化学的単層剥離と薄膜作製
2.1 酸化グラファイト形成による単層剥離
2.1.1 グラファイト単結晶粉末の酸化・単層剥離の手順
2.2 酸化グラフェン薄膜の塗布形成
2.3 酸化グラフェン薄膜の還元
2.4 酸化処理を行わないグラファイト単層剥離手法
3. 塗布形成したグラフェン薄膜の電極応用
4. グラフェン薄膜の導電性評価
5. グラフェン透明電極を用いた有機薄膜太陽電池
6. グラフェン電極を用いた塗布型有機FET
7. おわりに

第14章 ナノグラフェンの低温成長と物性解析  
1. はじめに
2. グラフェンの作製法の概観
2.1 HOPG層の機械的剥離法
2.2 エピタキシャル法
2.3 CVD法
3. 炭化物への無電解Niメッキによるグラフェン成長
3.1 炭化物への無電解Niメッキの基本的手順
3.2 グラフェンサイズの増大法
4. 無電解Niメッキ成長グラフェンの構造解析
4.1 電子顕微鏡による構造解析
4.2 ラマン散乱解析
4.3 AFMによる構造・物性解析
4.4 電気抵抗評価
4.4.1 ナノギャップデバイスによる電気抵抗測定
4.4.2 分散液滴下ナノグラフェンシートの電気抵抗測定
5. おわりに

第15章 カーボンナノウォールの成長と電子放出
1. はじめに
2. カーボンナノウォールの成長
2.1 ラジカル制御プラズマCVD法によるカーボンナノウォールの形成
2.2 電子ビーム励起プラズマを用いたカーボンナノウォールの形成
3. カーボンナノウォールの物性
4. 電子放出素子への応用
4.1 カーボンナノウォールからの電子放出
4.2 超臨界CO2堆積法を用いた白金ナノ粒子の担持
4.3 窒素プラズマ処理
5. カーボンナノウォールの電子デバイス応用に向けて

第16章 CVD法によるナノグラフェンの成長と電子状態
1. はじめに
2. ナノグラフェンの成長
3. ナノグラフェンの原子構造
4. ナノグラフェンのエピタキシャル方位
5. ナノグラフェン端の原子構造
6. ナノグラフェン端の電子状態
7. ナノグラフェン電子状態の分光学的検討
8. おわりに

第17章 超高温基板を用いた新規カーボン薄膜蒸着成長とラマン分光による評価
1. はじめに
2. 超高温基板加熱蒸着装置の開発
3. 超高温酸化物基板上への有機半導体分子を原料としたCVD
4. パルスレーザー蒸着で作製したアモルファス炭素の超高温アニールの効果
5. ラマン分光による評価
5.1 グラファイトとグラフェンのラマンスペクトル
5.2 乱れた炭素固体のラマンスペクトル
6. おわりに


【 IV デバイスへの展開 】

第18章 グラフェンの超高周波光・電子デバイス応用
1. はじめに
2. 量産型グラフェン結晶成長技術の重要性
3. グラフェンチャネルFETの基本動作特性
4. GOSによるFET
5. グラフェンによるプラズモニックデバイスの可能性
6. グラフェンによる新原理テラヘルツレーザーの可能性
6.1 光学励起に対するキャリア緩和過程
6.2 グラフェンにおける負性導電率
6.3 フェムト秒レーザー励起によるテラヘルツ放射分光実験
7. おわりに

第19章 グラフェンのスピンデバイス
1. はじめに―スピントロニクスとは―
2. なぜ分子を用いるのか?
3. 分子スピントロニクスにおける様々な問題―なぜグラフェンなのか―
4. グラフェンへのスピン注入とスピン流の創出
5. おわりに

第20章 LSI配線技術への応用
1. はじめに
2. カーボン配線の優位性
3. 配線応用へ向けた多層グラフェン成長技術
3.1 基板上へのグラフェン形成方法
3.2 触媒金属を用いないグラフェン形成:光電子制御プラズマCVD法
3.3 触媒金属を用いるグラフェン形成:熱CVD法
4. 横配線応用へ向けた課題
4.1 高伝導性のための品質向上
4.2 多層グラフェン/金属電極オーミックコンタクト
5. カーボン・アクティブ配線の可能性
6. おわりに
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