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グラフェンおよび二次元(2D)材料のためのAFM

窒化ホウ素上のグラフェンフレーク。原子間力顕微鏡を使用してイメージを取得。

2004年に発表されたNovoselovとGeimによる、単層グラフェン膜からなるトランジスタに関する報告は、一夜にしてAFMを活用したグラフェン研究の分野を生み出しました。この単一の独立した平面上の炭素原子は、他の材料では見られない、多くの魅力的な特性を示すことが証明されています。この材料は高表面積、優れた電気伝導性および熱伝導性、そして優れた機械的強度を提供します。グラフェンは、層間に空間のない理想的な両面体で、室温条件下で、知られている中で最高のキャリア移動度、シリコンの25倍の熱伝導度、~1 TPaと報告されるヤング率や理論上の限界に近付きつつある破壊強度を有しています。画期的な技術進歩が次に列挙する分野で期待されています。次世代エレクトロニクス(量子コンピューティング、スピントロにクス)、エネルギー収集・貯蔵(光起電、燃料電池、スーパーキャパシタ)、ナノエレクトロメカニカル(NEMS)デバイスや共振器、電気化学センサーやラボオンチップバイオセンサー等。またこの新材料は、MoS2 や窒化ホウ素膜といった他の二次元材料に対する関心を促しました。
 
原子間力顕微鏡はグラフェン研究における重要な実現技術です。その高い(サブオングストローム)分解能は、基板上の単一原子層を容易に識別し、モルフォロジー、粗さ、均一性などの膜質の特性評価に適しています。さらに、AFMイメージングでは、プローブがサンプル表面と物理的に接触する必要があり、それにより、形状像と同時に電気的および機械的特性を決定することが可能となります。導電率や誘電率、剛性や散逸、粘弾性や摩擦応答といった材料特性はこのように、水平方向のナノスケールの精度でマッピングされます。静電気や表面電位、磁場などの長距離的な相互作用による電気特性も測定中に探針を表面に近接させることで測定することが可能です。

AFMに関する技術的なお問い合わせ

メトロロジー

  • 膜厚
  • 粗さ、モルフォロジー、均一性

電気特性

  • 導電率および誘電率 (sMIM, CAFM)
  • 表面電位 (KPFM)
  • 蓄積電荷 (EFM)
  • I-V プロファイル (CAFM)

磁気特性

  • 磁気力勾配 (MFM)

機械特性

  • 剛性、ヤング率 (フォースカーブ、高速フォースマッピング、AM-FM)
  • 弾性率、損失弾性率、ロスタンジェント (AM-FM、コンタクト共振、ロスタンジェントイメージング)
  • エネルギー散逸 (AM-FM、コンタクト共振、ロスタンジェントイメージング)

トライボロジー特性

  • 摩擦 (LFM)
  • 接着 (フォースカーブ, 高速フォースマッピング)

熱特性

  • 熱伝導率 (SThM)
  • 量子コンピューティング、スピントロニクス
  • 電子回路部品:トランジスタ、電界エミッタ、インターコネクト、電気二重層コンデンサ
  • 抵抗変化型不揮発性メモリ技術
  • 光電子工学、光起電およびディスプレイ技術用透明電極
  • エネルギー収集・貯蔵:太陽電池、燃料電池、バッテリー
  • テラヘルツプラズモン発振器
  • センサー技術:単分子センサー、電気化学センサー、バイオセンサー、ラボオンチップデバイス
  • (生体)分子およびイオン輸送のための半透膜
  • ナノ電気化学システムおよび機械共振器

下のリストより技術資料(英文)のダウンロードをご利用いただけます。
日本語版をご希望の場合にはこちらからご連絡ください。

"Direct growth of high crystallinity graphene from water-soluble polymer powders," Q. Chen, Y. Zhong, M. Huang, G. Zhao, Z. Zhen, and H. Zhu, 2D Mater. 5, 035001 (2018). https://doi.org/10.1088/2053-1583/aab729

"Multi-terminal memtransistors from polycrystalline monolayer molybdenum disulfide," V. K. Sangwan, H. S. Lee, H. Bergeron, I. Balla, M. E. Beck, K. S. Chen, and M. C. Hersam, Nature 554, 500 (2018). https://doi.org/10.1038/nature25747

"Robust microscale superlubricity under high contact pressure enabled by graphene-coated microsphere," S. W. Liu, H. P. Wang, Q. Xu, T. B. Ma, G. Yu, C. Zhang, D. Geng, Z. Yu, S. Zhang, W. Wang, Y. Z. Hu, H. Wang, and J. Luo, Nat. Commun. 8, 14029 (2017). https://doi.org/10.1038/ncomms14029

"Domain-wall conduction in ferroelectric BiFeO3 controlled by accumulation of charged defects," T. Rojac, A. Bencan, G. Drazic, N. Sakamoto, H. Ursic, B. Jancar, G. Tavcar, M. Makarovic, J. Walker, B. Malic, and D. Damjanovic, Nat. Mater. 16, 322 (2017). https://doi.org/10.1038/nmat4799

"A novel approach to decrease friction of graphene," X. Zeng, Y. Peng, and H. Lang, Carbon 118, 233 (2017). https://doi.org/10.1016/j.carbon.2017.03.042

"Room-temperature ferroelectricity in CuInP2S6 ultrathin flakes," F. Liu, L. You, K. L. Seyler, X. Li, P. Yu, J. Lin, X. Wang, J. Zhou, H. Wang, H. He, S. T. Pantelides, W. Zhou, P. Sharma, X. Xu, P. M. Ajayan, J. Wang, and Z. Liu, Nat. Commun. 7, 12357 (2016). https://doi.org/10.1038/ncomms12357

"Covalent functionalization and passivation of exfoliated black phosphorus via aryl diazonium chemistry," C. R. Ryder, J. D. Wood, S. A. Wells, Y. Yang, D. Jariwala, T. J. Marks, G. C. Schatz, and M. C. Hersam, Nat. Chem. 8, 597 (2016). https://doi.org/10.1038/nchem.2505

"Strain-engineered graphene grown on hexagonal boron nitride by molecular beam epitaxy," A. Summerfield, A. Davies, T. S. Cheng, V. V. Korolkov, Y. J. Cho, C. J. Mellor, C. T. Foxon, A. N. Khlobystov, K. Watanabe, T. Taniguchi, L. Eaves, S. V. Novikov, and P. H. Beton, Sci. Rep. 6, 22440 (2016). https://doi.org/10.1038/srep22440

"Large-area epitaxial monolayer MoS2," D. Dumcenco, D. Ovchinnikov, K. Marinov, P. Lazić, M. Gibertini, N. Marzari, O. Lopez Sanchez, Y.-C. Kung, D. Krasnozhon, M.-W. Chen, S. Bertolazzi, P. Gillet, A. Fontcuberta i Morral, A. Radenovic, and A. Kis, ACS Nano 9, 4611 (2015). https://doi.org/10.1021/acsnano.5b01281

"Planar carbon nanotube-graphene hybrid films for high-performance broadband photodetectors," Y. Liu, F. Wang, X. Wang, X. Wang, E. Flahaut, X. Liu, Y. Li, X. Wang, Y. Xu, Y. Shi, and R. Zhang, Nat. Commun. 6, 8589 (2015). https://doi.org/10.1038/ncomms9589

"Gate-tunable memristive phenomena mediated by grain boundaries in single-layer MoS2," V. K. Sangwan, D. Jariwala, I. S. Kim, K. S. Chen, T. J. Marks, L. J. Lauhon, and M. C. Hersam, Nat. Nanotechnol. 10, 403 (2015). https://doi.org/10.1038/nnano.2015.56

"Strong oxidation resistance of atomically thin boron nitride nanosheets," L. H. Li, J. Cervenka, K. Watanabe, T. Taniguchi, and Y. Chen, ACS Nano 8, 1457 (2014). https://doi.org/10.1021/nn500059s

"Fluorination of graphene enhances friction due to increased corrugation," Q. Li, X.-Z. Liu, S.-P. Kim, V. B. Shenoy, P. E. Sheehan, J. T. Robinson, and R. W. Carpick, Nano Lett. 14, 5212 (2014). https://doi.org/10.1021/nl502147t

"Exploring flatland: AFM of mechanical and electrical properties of graphene, MoS2 and other low-dimensional materials," S. Bertolazzi, J. Brivio, A. Radenovic, A. Kis, H. Wilson, L. Prisbrey, E. Minot, A. Tselev, M. Philips, M. Viani, D. Walters, and R. Proksch, Microscopy and Analysis 27, 21 (2013). link to magazine

"Scalable one-step wet-spinning of graphene fibers and yarns from liquid crystalline dispersions of graphene oxide: Towards multifunctional textiles," R. Jalili, S. H. Aboutalebi, D. Esrafilzadeh, R. L. Shepherd, J. Chen, S. Aminorroaya-Yamini, K. Konstantinov, A. I. Minett, J. M. Razal, and G. G. Wallace, Adv. Funct. Mater. 23, 5345 (2013). https://doi.org/10.1002/adfm.201300765

"Friction force microscopy: a simple technique for identifying graphene on rough substrates and mapping the orientation of graphene grains on copper," A. J. Marsden, M. Phillips, and N. R. Wilson, Nanotechnology 24, 255704 (2013). https://doi.org/10.1088/0957-4484/24/25/255704

"Near-field microwave scanning probe imaging of conductivity inhomogeneities in CVD graphene," A. Tselev, N. V. Lavrik, I. Vlassiouk, D. P. Briggs, M. Rutgers, R. Proksch, and S. V. Kalinin, Nanotechnology 23, 385706 (2012). https://doi.org/10.1088/0957-4484/23/38/385706

"Stretching and breaking of ultrathin MoS2," S. Bertolazzi, J. Brivio, and A. Kis, ACS Nano 5, 9703 (2011). https://doi.org/10.1021/nn203879f

"Grains and grain boundaries in single-layer graphene atomic patchwork quilts," P. Y. Huang, C. S. Ruiz-Vargas, A. M. van der Zande, W. S. Whitney, M. P. Levendorf, J. W. Kevek, S. Garg, J. S. Alden, C. J. Hustedt, Y. Zhu, and J. Park, Nature 469, 389 (2011). https://doi.org/10.1038/nature09718

"Multiply folded graphene," K. Kim, Z. Lee, B. D. Malone, K. T. Chan, B. Aleman, W. Regan, W. Gannett, M. F. Crommie, M. L. Cohen, and A. Zettl, Phys. Rev. B 83, 245433 (2011). https://doi.org/10.1103/physrevb.83.245433

"Single-layer MoS2 transistors," B. Radisavljevic, A. Radenovic, J. Brivio, V. Giacometti, and A. Kis, Nat. Nanotechnol. 6, 147 (2011). https://doi.org/10.1038/nnano.2010.279

"The large-scale production of graphene flakes using magnetically-enhanced arc discharge between carbon electrodes," I. Levchenko, O. Volotskova, A. Shashurin, Y. Raitses, K. Ostrikov, and M. Keidar, Carbon 48, 4570 (2010). https://doi.org/10.1016/j.carbon.2010.07.055

"Layer-by-layer transfer of multiple, large area sheets of graphene grown in multilayer stacks on a single SiC wafer," S. Unarunotai, J. C. Koepke, C.-L. Tsai, F. Du, C. E. Chialvo, Y. Murata, R. Haasch, I. Petrov, N. Mason, M. Shim, J. Lyding, and J. A. Rogers, ACS Nano 4, 5591 (2010). https://doi.org/10.1021/nn101896a

"Effective doping of single-layer graphene from underlying SiO2 substrates," Y. Shi, X. Dong, P. Chen, J. Wang, and L.-J. Li, Phys. Rev. B 79, 115402 (2009). https://doi.org/10.1103/physrevb.79.115402