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。この受賞は多くの人々に深い感銘を与えました。ノーベル賞の対象となる実験器具は、粘着テープのようにありふれたものではなく、研究対象も「二次元結晶」であるグラフェンのように魔法のように分かりやすいものではありません。2004年の研究成果が2010年に授与されるというのは、近年のノーベル賞受賞記録の中では稀有なことです。
グラフェンは、炭素原子が一層ずつ密集し、二次元的な蜂の巣状の六角格子を形成した物質です。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などと同様に、炭素元素からなる物質（単体）です。下図に示すように、フラーレンやカーボンナノチューブは、一層のグラフェンが何層にも重なり、何らかの形で巻き上がっている様子が見られます。グラフェンを用いて様々な炭素単体（グラファイト、カーボンナノチューブ、グラフェン）の特性を記述する理論的研究は60年近く続いていますが、このような二次元物質は単独で安定して存在することは難しく、三次元の基板表面やグラファイトのような物質内部に付着しているだけであると考えられています。2004年、アンドレ・ガイムと彼の弟子コンスタンチン・ノボセロフが実験によってグラファイトから一層のグラフェンを剥離するまで、グラフェン研究は新たな発展を遂げていませんでした。
フラーレン（左）とカーボンナノチューブ（中央）はどちらも、何らかの形でグラフェンの単層によって巻き上げられていると考えられますが、グラファイト（右）は、ファンデルワールス力のつながりを通じてグラフェンの複数層が積み重ねられています。
現在ではグラフェンは様々な方法で得ることができ、方法によってそれぞれ長所と短所がある。GeimとNovoselovは簡単な方法でグラフェンを得た。スーパーマーケットで入手できる透明テープを使用して、高次熱分解グラファイトからグラフェン（厚さ1層の炭素原子のみからなるグラファイトシート）を剥がした。これは便利だが制御性はそれほど良くなく、100ミクロン（1ミリメートルの10分の1）未満の大きさのグラフェンしか得られず、実験には使用できるが、実用化は困難である。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大きさのグラフェンサンプルを成長させることができる。一貫した配向を持つ領域はわずか100ミクロンであるが[3,4]、一部の用途の製造ニーズに適していた。もう一つの一般的な方法は、炭化ケイ素（SIC）結晶を真空中で1100℃以上に加熱し、表面近くのシリコン原子を蒸発させ、残りの炭素原子を再配置させることで、これによっても良好な特性を持つ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、銅と同等の優れた電気伝導性と、既存のどの材料よりも優れた熱伝導性を持つ、ユニークな特性を持つ新素材です。また、非常に透明で、垂直入射の可視光のうち、グラフェンに吸収されるのはごくわずか（2.3%）で、大部分は透過します。グラフェンは非常に高密度であるため、最小の気体分子であるヘリウム原子でさえ透過できません。これらの不思議な特性は、グラファイトから直接受け継がれたものではなく、量子力学から生まれたものです。グラフェンのユニークな電気的・光学的特性は、幅広い応用の可能性を秘めています。
グラフェンは登場からまだ10年も経っていないにもかかわらず、物理学や材料科学の分野では極めて稀な、多くの技術的応用が見られています。一般的な材料が研究室から実用化されるまでには、10年以上、あるいは数十年以上かかることもあります。グラフェンの用途は何でしょうか？2つの例を見てみましょう。
柔らかい透明電極
多くの電化製品では、透明導電性材料を電極として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、太陽電池パネルなど、多くのデバイスは透明電極の存在から逃れることはできません。従来の透明電極はインジウムスズ酸化物（ITO）を使用しています。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、電極を真空の中間層に堆積する必要があり、コストが比較的高くなります。長い間、科学者は代替品を見つけようとしてきました。透明性、優れた導電性、製造の容易さなどの要件に加えて、材料自体の柔軟性が良好であれば、「電子ペーパー」などの折りたたみ式ディスプレイデバイスの製造に適しています。したがって、柔軟性も非常に重要な側面です。グラフェンはそのような材料であり、透明電極に非常に適しています。
韓国のサムスンと成均館大学の研究者たちは、化学蒸着法を用いて対角線の長さ30インチのグラフェンを作成し、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た[4]。下図に示すように、銅箔上に成長したグラフェンは、まず熱剥離テープ（青色の透明部分）で接着され、次に化学的手法で銅箔を溶解し、最後に加熱によってグラフェンをPETフィルムに転写する。
新しい光電誘導装置
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。原子層は1つしかありませんが、可視光から赤外線までの全波長範囲で放出された光の2.3％を吸収できます。この数値はグラフェンの他の材料パラメータとは無関係であり、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、従来の半導体とは大きく異なります。そのため、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で動作できると推定されています。これを信号伝送に使用すると、1秒間に5000億の0または1を伝送でき、1秒間に2枚のブルーレイディスクの内容の伝送を完了できます。
米国IBMトーマス・J・ワトソン研究所の専門家らは、グラフェンを用いて10GHzの周波数で動作する光電誘導デバイスを製造した[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」でグラフェン薄片を作製し、その上に1ミクロン間隔、幅250nmのパラジウム金またはチタン金電極を形成した。こうしてグラフェンベースの光電誘導デバイスが得られた。
グラフェン光電誘導装置の模式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。
研究者たちは実験を通じて、この金属グラフェン金属構造光電誘導装置は、最高16GHzの動作周波数に達し、300nm（近紫外線）から6ミクロン（赤外線）までの波長範囲で高速動作できることを発見しました。一方、従来の光電誘導管は、これより波長の長い赤外線には反応しません。グラフェン光電誘導装置の動作周波数には、依然として大きな改善の余地があります。その優れた性能は、通信、遠隔制御、環境モニタリングなど、幅広い応用の可能性を秘めています。
グラフェンは特異な特性を持つ新素材として、その応用研究が次々と生まれています。ここですべてを網羅することは困難です。将来的には、グラフェン製の電界効果チューブ、分子スイッチ、分子検出器などが日常生活に浸透していくかもしれません。研究室から徐々に生み出されるグラフェンは、日常生活で輝きを放つことでしょう。
近い将来、グラフェンを使った電子機器が数多く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、使わない時は丸めて、耳に挟んで、ポケットにしまったり、手首に巻いたりできたら、どんなに便利でしょう！
投稿日時: 2022年3月9日