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JP7480943B2 - Graphene nanoribbons and their manufacturing method, graphene nanoribbon precursor, and semiconductor device - Google Patents
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JP7480943B2 - Graphene nanoribbons and their manufacturing method, graphene nanoribbon precursor, and semiconductor device - Google Patents

Graphene nanoribbons and their manufacturing method, graphene nanoribbon precursor, and semiconductor device Download PDF

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Description

本発明は、グラフェンナノリボン及びその製造方法、グラフェンナノリボン前駆体、並びに半導体装置に関する。 The present invention relates to graphene nanoribbons and their manufacturing method, graphene nanoribbon precursors, and semiconductor devices.

グラフェンはC原子が蜂の巣格子状に互いに強固に共有結合した二次元のシート構造の材料である。グラフェンをナノメートル程度の幅を持つリボン形状のグラフェン、所謂、グラフェンナノリボン(GNR)に加工すると、幅と大よそ逆比例する大きさのバンドギャップを持つようになることが知られている。 Graphene is a two-dimensional sheet-structure material in which carbon atoms are tightly covalently bonded to each other in a honeycomb lattice pattern. It is known that when graphene is processed into ribbon-shaped graphene with a width of about nanometers, so-called graphene nanoribbons (GNRs), it has a band gap that is roughly inversely proportional to the width.

これを利用して、グラフェンを電子ビームリソグラフィ等のトップダウン手法で加工し、トランジスタ等のデバイスを作成する試みが行われている。しかし、必要なバンドギャップを実現するには、1nm前後という極めて狭い幅が必要になるため、トップダウン手法で再現性良く実現することは極めて難しい。 Attempts are being made to take advantage of this to process graphene using top-down techniques such as electron beam lithography to create devices such as transistors. However, to achieve the required band gap, an extremely narrow width of around 1 nm is required, which is extremely difficult to achieve reproducibly using top-down techniques.

その一方で、前駆体分子の表面重合によって、1nm以下の幅を実現する手法が報告されている(例えば、非特許文献1参照)。前記前駆体分子としては、臭素化芳香族化合物が用いられ、これを加熱した金基板上でウルマン反応を起こさせ、重合させる。GNRの幅は、前駆体分子の設計次第で制御が可能である。このようなボトムアップ手法で作製されたGNRは、高周波デバイスなどとしての応用が期待されている。 On the other hand, a method has been reported in which a width of less than 1 nm can be achieved by surface polymerization of precursor molecules (see, for example, Non-Patent Document 1). A brominated aromatic compound is used as the precursor molecule, which is polymerized by an Ullmann reaction on a heated gold substrate. The width of the GNR can be controlled by the design of the precursor molecule. GNRs fabricated by such bottom-up methods are expected to be used in high-frequency devices, etc.

またPN接合を形成して、例えばトンネル電界効果型トランジスタ(トンネルFET)を作製すると、シリコンのMOSFETを上回る特性が可能であることを示唆するシミュレーション結果も得られている(例えば、非特許文献2参照)。 In addition, simulation results have been obtained that suggest that by forming a PN junction and fabricating, for example, a tunnel field effect transistor (tunnel FET), it is possible to achieve characteristics that exceed those of silicon MOSFETs (for example, see Non-Patent Document 2).

Nature 466, 470 (2010)Nature 466, 470 (2010) IEEE Electron Device Letters 29, 1344-1346 (2008).IEEE Electron Device Letters 29, 1344-1346 (2008).

トンネルFETをはじめとした電子デバイスを作製するには、GNRのヘテロ接合(バンドギャップを生じるGNRの構造)を形成する。ヘテロ接合を実現するためにGNRの電子状態を制御する手法の一つとして、GNRのエッジを修飾する手法が考えられる。 To fabricate electronic devices such as tunnel FETs, a heterojunction (a GNR structure that creates a band gap) of GNRs is formed. One method for controlling the electronic state of GNRs to realize a heterojunction is to modify the edges of the GNRs.

しかし、合成済みGNRのエッジに修飾基を付与する方法は収率が低いという問題がある。また、前駆体のエッジに、例えば、フッ素を付与した場合には、リボン化の過程でエッジのフッ素原子が脱離してしまうという問題がある。
また、グラフェンナノリボンの前駆体として知られる化合物では、実現できるバンドギャップ幅が限られており、半導体装置ごとに異なる好適なバンドギャップ幅を有するGNRを合成することができないという問題がある。
However, the method of adding a modifying group to the edge of the synthesized GNR has a problem of low yield, and when, for example, fluorine is added to the edge of the precursor, there is a problem that the fluorine atom on the edge is released during the ribbon formation process.
In addition, compounds known as graphene nanoribbon precursors have a limited band gap width that can be realized, which makes it difficult to synthesize GNRs with different suitable band gap widths for each semiconductor device.

本発明は、半導体装置に好適なグラフェンナノリボン及びその製造方法、グラフェンナノリボン前駆体、並びに半導体装置を提供することを目的とする。 The present invention aims to provide graphene nanoribbons suitable for semiconductor devices, a method for producing the same, a graphene nanoribbon precursor, and a semiconductor device.

1つの態様では、本件で開示するグラフェンナノリボンは、構造式(1)又は構造式(2)で表される。
ただし、前記構造式(1)及び(2)中、nは整数を表す。
In one embodiment, the graphene nanoribbons disclosed herein are represented by structural formula (1) or structural formula (2).
In the structural formulas (1) and (2), n represents an integer.

1つの態様では、本件で開示するグラフェンナノリボン前駆体は、構造式(3)又は構造式(4)で表される。
ただし、前記構造式(3)及び(4)中、Xは、ヨウ素又は臭素を表し、Yは、水素又はハロゲン原子を表す。
In one embodiment, the graphene nanoribbon precursor disclosed herein is represented by structural formula (3) or structural formula (4).
In the structural formulas (3) and (4), X represents iodine or bromine, and Y represents hydrogen or a halogen atom.

1つの態様では、本件で開示するグラフェンナノリボンの製造方法は、構造式(3)又は構造式(4)で表されるグラフェンナノリボン前駆体を重合させる。
ただし、前記構造式(3)及び(4)中、Xは、ヨウ素又は臭素を表し、Yは、水素又はハロゲン原子を表す。
In one embodiment, the method for producing graphene nanoribbons disclosed herein comprises polymerizing a graphene nanoribbon precursor represented by structural formula (3) or structural formula (4).
In the structural formulas (3) and (4), X represents iodine or bromine, and Y represents hydrogen or a halogen atom.

1つの態様では、本件で開示する半導体装置は、構造式(1)又は構造式(2)で表されるグラフェンナノリボンを有する。
ただし、前記構造式(1)及び(2)中、nは整数を表す。
In one embodiment, the semiconductor device disclosed herein has a graphene nanoribbon represented by structural formula (1) or structural formula (2).
In the structural formulas (1) and (2), n represents an integer.

1つの側面として、半導体装置に好適なグラフェンナノリボン及びその製造方法、グラフェンナノリボン前駆体、並びに半導体装置を提供できる。 As one aspect, it is possible to provide graphene nanoribbons suitable for semiconductor devices, a manufacturing method thereof, a graphene nanoribbon precursor, and a semiconductor device.

図1Aは、7-AGNRの一般式において、リボン幅方向のC-Cダイマーラインを示した図である。FIG. 1A is a diagram showing the CC dimer line in the ribbon width direction in the general formula of 7-AGNR. 図1Bは、7-AGNRのエッジ(中央のアントラセン部分の両端)に様々な修飾基を付けた化合物について、第1原理シミュレーションにより価電子帯の最上位(VB top)と伝導体の最下位(CB bottom)の位置を求めた結果を示す図である。Figure 1B shows the results of first-principles simulations of the positions of the top of the valence band (VB top) and the bottom of the conductor band (CB bottom) for compounds with various modifying groups on the edges of 7-AGNR (both ends of the central anthracene moiety). 図2は、構造式(4)において、X=Brであるグラフェンナノリボン前駆体を合成する方法を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing a method for synthesizing a graphene nanoribbon precursor in which X=Br in structural formula (4). 図3は、開示のグラフェンナノリボン前駆体の重合の一例を示す図である。FIG. 3 illustrates an example of the polymerization of the disclosed graphene nanoribbon precursors. 図4は、実施例1で得られた化合物8のH-NMRスペクトルを示す図である。FIG. 4 is a diagram showing the 1 H-NMR spectrum of the compound 8 obtained in Example 1. 図5Aは、実施例2で得られたアントラセンポリマーの走査トンネル顕微鏡(STM)像を示す図である。FIG. 5A is a scanning tunneling microscope (STM) image of the anthracene polymer obtained in Example 2. 図5Bは、前記STM像の拡大図にTersoff-Hamann法によるSTMシミュレーション像を組み込んだ図である。FIG. 5B is an enlarged view of the STM image, incorporating an STM simulation image by the Tersoff-Hamann method. 図5Cは、前記STM像の断面プロファイルの測定位置を示した図である。FIG. 5C is a diagram showing the measurement positions of the cross-sectional profile of the STM image. 図5Dは、図5Cの断面プロファイルの測定位置における断面プロファイルの結果を示す図である。FIG. 5D is a diagram showing the cross-sectional profile results at the measurement positions of the cross-sectional profiles in FIG. 5C. 図6Aは、実施例2で得られたグラフェンナノリボンのSTM像を示す図である。FIG. 6A shows an STM image of the graphene nanoribbons obtained in Example 2. 図6Bは、前記グラフェンナノリボンのSTM像の断面プロファイルの測定位置を示した図である。FIG. 6B is a diagram showing measurement positions of the cross-sectional profile of the graphene nanoribbon in an STM image. 図6Cは、図6Bの断面プロファイルの測定位置における断面プロファイルの結果を示す図である。FIG. 6C is a diagram showing the cross-sectional profile results at the measurement positions of the cross-sectional profiles in FIG. 6B. 図7は、開示の半導体装置の一例(トップゲート型電界効果型トランジスタ)を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing an example of the disclosed semiconductor device (a top-gate field effect transistor). 図8は、開示の半導体装置の一例(ショットキーバリアダイオード)を示す図である。FIG. 8 is a diagram showing an example (Schottky barrier diode) of the disclosed semiconductor device. 図9は、開示の半導体装置の一例(ショットキーバリアダイオード)であって、開示のグラフェンナノリボンにおけるエッジのチオフェン環が開裂して、金電極と結合する様子を示す図である。FIG. 9 is a diagram showing an example (Schottky barrier diode) of the disclosed semiconductor device, in which a thiophene ring at the edge of the disclosed graphene nanoribbon is cleaved and bonded to a gold electrode.

グラフェンナノリボンには、長さ方向に沿った両端のエッジ構造がアームチェア型であるアームチェアエッジ、及び長さ方向に沿った両端のエッジ構造がジグザク型であるジグザグエッジの2種類が存在する。前記アームチェアエッジを有するアームチェアエッジGNR(AGNR)は、量子閉じ込め効果及びエッジ効果によって有限のバンドギャップが開き、AGNRは半導体的な性質を示す。一方、前記ジグザクエッジを有するジグザグエッジGNR(ZGNR)は、磁性や金属的な性質を示す。 There are two types of graphene nanoribbons: armchair-edged, which has an armchair-shaped edge structure at both ends along the length, and zigzag-edged, which has a zigzag-shaped edge structure at both ends along the length. Armchair-edged GNRs (AGNRs) with the armchair edges have a finite band gap due to the quantum confinement effect and edge effect, and AGNRs exhibit semiconducting properties. On the other hand, zigzag-edged GNRs (ZGNRs) with the zigzag edges exhibit magnetic and metallic properties.

リボン幅方向に存在するC-Cダイマーラインの数が「N」であるAGNRは「N-AGNR」と呼ばれる。例えば、リボン幅方向に六員環が3つ配列したアントラセンを基本ユニットとし、前記基本ユニットがリボン長さ方向に縮合しているAGNRは7-AGNRと呼ばれる。図1Aに、7-AGNRの一般式を示す。図1A中、太線で示した結合が、リボン幅方向のC-Cダイマーラインである。アントラセンを形成するC-C結合のうち、リボン幅方向に伸びたC-C結合は、「4つ」あり、また、隣接するアントラセンどうしを繋ぐリボン幅方向のC-C結合が「3つ」あり、これらを足すと「7」となる。 An AGNR with "N" number of C-C dimer lines in the ribbon width direction is called "N-AGNR". For example, an AGNR in which an anthracene with three six-membered rings arranged in the ribbon width direction is used as a basic unit and the basic unit is condensed in the ribbon length direction is called 7-AGNR. Figure 1A shows the general formula of 7-AGNR. The bonds shown in bold in Figure 1A are the C-C dimer lines in the ribbon width direction. Of the C-C bonds that form anthracene, there are "four" C-C bonds that extend in the ribbon width direction, and there are "three" C-C bonds in the ribbon width direction that connect adjacent anthracenes, which add up to "7".

図1Aに示す7-AGNRのエッジ(中央のアントラセン部分の両端)に様々な修飾基を付けた化合物について、第1原理シミュレーションにより価電子帯の最上位(VB top)と伝導体の最下位(CB bottom)の位置を求めた結果を図1Bに示す。 Figure 1B shows the results of first-principles simulations of the positions of the top of the valence band (VB top) and the bottom of the conductor band (CB bottom) for compounds with various modifying groups on the edges (both ends of the central anthracene portion) of the 7-AGNR shown in Figure 1A.

水素で終端化した場合との組み合わせとして、フッ素(F)終端GNRはN型、例えばチオフェン環(Thiophone)を付与した場合はP型のGNRを得ることが出来ることがわかる。 When combined with hydrogen termination, fluorine (F) terminated GNRs are N-type, while when a thiophene ring (thiophone) is added, for example, a P-type GNR can be obtained.

本発明者らが鋭意検討を行ったところ、従来のボトムアップ手法によるGNRの作成において、前駆体分子にエッジの修飾を施したとしても、リボン化の過程で修飾基の脱離が生じ、設計したGNRが得られないという問題がある。
また、グラフェンナノリボンの前駆体として知られるこれまでの化合物では、その構造上、半導体装置に適したバンドギャップ幅を有するグラフェンナノリボンを合成することができないという問題がある。
これに対し、前記構造式(1)及び(2)で表されるグラフェンナノリボンは、7-AGNRのエッジにチオフェン環を導入することで、GNRの電子状態を制御でき、半導体装置に好適なGNRを得られることを見出し、開示の技術の完成に至った。
As a result of intensive research conducted by the inventors, it was found that when creating GNRs using conventional bottom-up methods, even if the edges of the precursor molecules are modified, the modification groups are removed during the ribbon formation process, and the designed GNR cannot be obtained.
In addition, the compounds known to date as precursors of graphene nanoribbons have the problem that, due to their structure, it is not possible to synthesize graphene nanoribbons with a band gap width suitable for semiconductor devices.
In contrast, the graphene nanoribbons represented by the structural formulas (1) and (2) have been found to be capable of controlling the electronic state of the GNRs by introducing thiophene rings into the edges of the 7-AGNRs, thereby enabling the production of GNRs suitable for semiconductor devices, leading to the completion of the disclosed technology.

(グラフェンナノリボン)
開示のグラフェンナノリボンは、構造式(1)又は構造式(2)で表される。
ただし、前記構造式(1)及び(2)中、nは整数を表す。
(Graphene nanoribbons)
The disclosed graphene nanoribbons are represented by structural formula (1) or structural formula (2).
In the structural formulas (1) and (2), n represents an integer.

前記構造式(1)又は(2)で表されるグラフェンナノリボンは、7-AGNRのエッジ(中央のアントラセン部分の両端)に、チオフェン環が修飾している構造を有する。前記構造式(1)及び(2)は、構造異性体である。前記構造式(1)においては、リボンの長さ方向に対してチオフェン環のSが非対称に配置している。一方、前記構造式(2)においては、リボンの長さ方向に対してチオフェン環のSが対称に配置している。 The graphene nanoribbon represented by the structural formula (1) or (2) has a structure in which the edges of the 7-AGNR (both ends of the central anthracene portion) are modified with thiophene rings. The structural formulas (1) and (2) are structural isomers. In the structural formula (1), the S of the thiophene rings are arranged asymmetrically with respect to the length direction of the ribbon. On the other hand, in the structural formula (2), the S of the thiophene rings are arranged symmetrically with respect to the length direction of the ribbon.

前記構造式(1)及び(2)中、nは整数を表す。前記nとしては、前記構造式(1)及び(2)で表されるグラフェンナノリボンを半導体装置にしたときにヘテロ接合ができるようなサイズであれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。 In the structural formulas (1) and (2), n represents an integer. There are no particular limitations on the size of n, so long as it is a size that allows a heterojunction to be formed when the graphene nanoribbons represented by the structural formulas (1) and (2) are made into a semiconductor device, and n can be appropriately selected depending on the purpose.

(グラフェンナノリボン前駆体)
開示のグラフェンナノリボン前駆体は、構造式(3)又は構造式(4)で表される。
ただし、前記構造式(3)及び(4)中、Xは、ヨウ素又は臭素を表し、Yは、水素又はハロゲン原子を表す。
(Graphene nanoribbon precursor)
The disclosed graphene nanoribbon precursor is represented by structural formula (3) or structural formula (4).
In the structural formulas (3) and (4), X represents iodine or bromine, and Y represents hydrogen or a halogen atom.

開示のグラフェンナノリボン前駆体は、構造式(5)又は構造式(6)で表されるグラフェンナノリボン前駆体が好ましい。
ただし、前記構造式(5)及び(6)中、Xは、ヨウ素又は臭素を表す。
The disclosed graphene nanoribbon precursor is preferably a graphene nanoribbon precursor represented by structural formula (5) or structural formula (6).
In the structural formulas (5) and (6), X represents iodine or bromine.

前記構造式(3)又は(4)で表されるグラフェンナノリボン前駆体は、両端にチオフェン環を有するアントラセンの9位と10位でそれぞれ他のアントラセンと結合している構造を有する。そして、両側のアントラセンには、9位又は10位にXとしてヨウ素又は臭素が結合し、1位から8位にYとして水素又はハロゲン原子が結合している。前記構造式(3)及び(4)は、構造異性体である。前記構造式(3)においては、アントラセンどうしを繋ぐ結合の方向に対してチオフェン環のSが非対称に配置している。一方、前記構造式(4)においては、アントラセンどうしを繋ぐ結合の方向に対してチオフェン環のSが対称に配置している。 The graphene nanoribbon precursor represented by the structural formula (3) or (4) has a structure in which anthracene having thiophene rings at both ends is bonded to other anthracene at the 9th and 10th positions. The anthracenes on both sides have iodine or bromine bonded as X at the 9th or 10th position, and hydrogen or halogen atoms bonded as Y at the 1st to 8th positions. The structural formulas (3) and (4) are structural isomers. In the structural formula (3), the S of the thiophene ring is arranged asymmetrically with respect to the direction of the bond connecting the anthracenes. On the other hand, in the structural formula (4), the S of the thiophene ring is arranged symmetrically with respect to the direction of the bond connecting the anthracenes.

前記構造式(3)又は(4)で表されるグラフェンナノリボン前駆体は、前記Xの脱離による前記構造式(3)又は(4)で表される化合物どうしの重合反応(ポリマー化)が起き、次いで、前記構造式(3)又は(4)で表される化合物間の芳香環化が起き、GNRが合成される。 The graphene nanoribbon precursor represented by the structural formula (3) or (4) undergoes a polymerization reaction (polymerization) between the compounds represented by the structural formula (3) or (4) due to the elimination of X, and then aromatic ring formation occurs between the compounds represented by the structural formula (3) or (4), synthesizing GNRs.

前記構造式(3)及び(4)中、Xはヨウ素又は臭素を表し、Yは、水素又はハロゲン原子を表す。Xにヨウ素又は臭素以外のハロゲンを用いると、前記ポリマー化が起きない場合がある。例えば、塩素を用いる場合、ヨウ素の結合は100℃程度、臭素の結合は200℃弱で切れて脱離するが、塩素はさらに高い温度が必要になる。そのような温度であると、ボトムアップ手法において基板からの分子の再蒸発が始まってしまうため、GNRの合成が難しくなるという問題がある。 In the structural formulas (3) and (4), X represents iodine or bromine, and Y represents hydrogen or a halogen atom. If a halogen other than iodine or bromine is used for X, the polymerization may not occur. For example, when chlorine is used, the iodine bond breaks and is eliminated at about 100°C, and the bromine bond breaks and is eliminated at just under 200°C, but chlorine requires even higher temperatures. At such temperatures, the molecules start to re-evaporate from the substrate in the bottom-up method, making it difficult to synthesize GNRs.

<グラフェンナノリボン前駆体の合成>
前記構造式(4)において、X=Brであり、Y=Hであるグラフェンナノリボン前駆体を合成する方法を図2に示す。
詳細な手順は、後述する実施例で説明するが、先ず、1,4-シクロヘキサンジオールを出発物質として化合物3を得て、次いで化合物5と化合物3とから化合物7を得て、化合物7と、9,10-ジブロモアントラセンがリチオ化されたアントラセンと、から化合物8を得る。
<Synthesis of graphene nanoribbon precursor>
A method for synthesizing a graphene nanoribbon precursor in which X=Br and Y=H in the structural formula (4) is shown in FIG.
The detailed procedure will be described in the Examples described later. First, compound 3 is obtained using 1,4-cyclohexanediol as a starting material, then compound 7 is obtained from compound 5 and compound 3, and compound 8 is obtained from compound 7 and anthracene obtained by lithiating 9,10-dibromoanthracene.

(グラフェンナノリボンの製造方法)
開示のグラフェンナノリボンの製造方法は、構造式(3)又は構造式(4)で表されるグラフェンナノリボン前駆体を重合させる。グラフェンナノリボン前駆体の重合について、図3を用いて説明する。
ただし、前記構造式(3)及び(4)中、Xは、ヨウ素又は臭素を表し、Yは、水素又はハロゲン原子を表す。
(Method for producing graphene nanoribbons)
The disclosed method for producing graphene nanoribbons involves polymerizing a graphene nanoribbon precursor represented by structural formula (3) or structural formula (4). The polymerization of the graphene nanoribbon precursor will be described with reference to FIG.
In the structural formulas (3) and (4), X represents iodine or bromine, and Y represents hydrogen or a halogen atom.

重合とは、ボトムアップ手法でGNRを作製することを意味する。具体的には、先ず、超高真空中で清浄化した触媒金属基板を200℃程度に保持し、上記の合成方法により作製したGNR前駆体(a)を真空蒸着する。このときの蒸着量は、1分子層程度になるように調節することが望ましい。触媒金属基板上では、GNR前駆体(a)中のBrが脱離してウルマン反応が起き、分子どうしの重合反応(ポリマー化)が起き、アントラセンポリマー(b)が生成する(図3中のI)。さらに、真空中で350℃~450℃の基板加熱により、芳香環化反応が起きて、アントラセンどうしを繋ぐ結合が形成され、エッジにチオフェン環が修飾されたGNR(c)が合成される(図3中のII)。 Polymerization means that GNRs are produced by a bottom-up method. Specifically, first, a catalytic metal substrate cleaned in an ultra-high vacuum is kept at about 200°C, and the GNR precursor (a) produced by the above synthesis method is vacuum-deposited. It is desirable to adjust the amount of deposition so that it is about one molecular layer. On the catalytic metal substrate, Br in the GNR precursor (a) is eliminated, and an Ullmann reaction occurs, and a polymerization reaction (polymerization) between molecules occurs, producing an anthracene polymer (b) (I in Figure 3). Furthermore, by heating the substrate at 350°C to 450°C in a vacuum, an aromatization reaction occurs, forming bonds that connect anthracenes together, and a GNR (c) with thiophene rings modified on the edges is synthesized (II in Figure 3).

前記触媒金属基板としては、例えば、金、銀、銅等の(111)面が挙げられる。その他に、(110)面や(788)面などの高指数面も用いることができる。これらの中でも、金の(111)面が好ましい。 The catalytic metal substrate may be, for example, a (111) surface of gold, silver, copper, etc. In addition, high index surfaces such as a (110) surface or a (788) surface may also be used. Among these, the (111) surface of gold is preferred.

(半導体装置)
開示の半導体装置は、構造式(1)又は構造式(2)で表されるグラフェンナノリボンを有する。
ただし、前記構造式(1)及び(2)中、nは整数を表す。
前記構造式(1)又は構造式(2)で表されるグラフェンナノリボンは、上述したグラフェンナノリボンと同様のものを用いることができる。
(Semiconductor device)
The disclosed semiconductor device has a graphene nanoribbon represented by structural formula (1) or structural formula (2).
In the structural formulas (1) and (2), n represents an integer.
The graphene nanoribbon represented by the structural formula (1) or (2) may be the same as the graphene nanoribbon described above.

前記構造式(1)又は構造式(2)で表されるグラフェンナノリボンを有する半導体装置としては、例えば、前記グラフェンナノリボンをチャネルとして用いたトップゲート型電界効果型トランジスタ(FET)、支持基板上に前記グラフェンナノリボンと、電極とを有するショットキーバリアダイオード等が挙げられる。 Examples of semiconductor devices having graphene nanoribbons represented by structural formula (1) or structural formula (2) include top-gate field-effect transistors (FETs) using the graphene nanoribbons as a channel, and Schottky barrier diodes having the graphene nanoribbons and electrodes on a supporting substrate.

以下、開示の技術の実施例を説明するが、開示の技術は、これらの実施例に何ら限定されるものではない。 Below, examples of the disclosed technology are described, but the disclosed technology is in no way limited to these examples.

(実施例1)
<グラフェンナノリボン前駆体の合成>
次亜塩素酸カルシウム(9.3g,65mmol)の懸濁水溶液(200ml)を、1,4-シクロヘキサンジオール(15g,129.0mmol)の酢酸溶液(150ml,数個の臭化カリウム結晶を含む)に0℃で滴下した。その後、反応混合物を0℃で3時間撹拌した。次に、反応溶液を炭酸カリウム水溶液で中和し、酢酸エチル(500mlx6)で抽出した。さらに硫酸ナトリウムで乾燥した後、有機溶媒を真空下で濃縮した。残渣をカラムクロマトグラフィー(酢酸エチル/ヘキサン=7/3)で精製し、溶液を真空下で濃縮することで、化合物1(8.9g,60%)を淡黄色のオイルとして得た。
得られた化合物1のH-NMRデータを以下に示す。
H-NMR(400MHz,CDCl):4.23-4.18(m,1H),2.73-2.58(m,2H),2.35-2.28(m,2H),2.11-1.80(m,5H).
Example 1
<Synthesis of graphene nanoribbon precursor>
A suspension of calcium hypochlorite (9.3 g, 65 mmol) in water (200 ml) was added dropwise to a solution of 1,4-cyclohexanediol (15 g, 129.0 mmol) in acetic acid (150 ml, containing a few potassium bromide crystals) at 0° C. The reaction mixture was then stirred at 0° C. for 3 hours. The reaction solution was then neutralized with an aqueous potassium carbonate solution and extracted with ethyl acetate (500 ml×6). After further drying over sodium sulfate, the organic solvent was concentrated under vacuum. The residue was purified by column chromatography (ethyl acetate/hexane=7/3), and the solution was concentrated under vacuum to obtain compound 1 (8.9 g, 60%) as a pale yellow oil.
The 1 H-NMR data of the obtained compound 1 is shown below.
1 H-NMR (400 MHz, CDCl 3 ): 4.23-4.18 (m, 1H), 2.73-2.58 (m, 2H), 2.35-2.28 (m, 2H), 2.11-1.80 (m, 5H).

化合物1(5.0g,43.8mmol)のメタノール溶液(100ml)に濃硫酸(6.0ml)を0℃で滴下した。モレキュラーシーブス3A(粉末,30g)を0℃でその溶液に加え、次に反応混合物を室温で2日間撹拌した。その後、-78℃に冷却し、トリエチルアミン(120ml)を滴下した後、室温まで温めた。濾過によりモレキュラーシーブを除去し、反応混合物を真空下で濃縮して溶媒を除去した。残渣をカラムクロマトグラフィー(酢酸エチル/ヘキサン=7/3)により精製し、溶媒を真空下で濃縮することで化合物2(5.2g,75%)を淡黄色のオイルとして得た。
得られた化合物2のH-NMRデータを以下に示す。
H-NMR(400MHz,DMSO-d):4.46(d,J=4.0Hz,1H),3.55-3.50(m,1H),3.05(s,6H),1.80-1.29(m,8H).
Concentrated sulfuric acid (6.0 ml) was added dropwise to a solution of compound 1 (5.0 g, 43.8 mmol) in methanol (100 ml) at 0° C. Molecular sieves 3A (powder, 30 g) was added to the solution at 0° C., and the reaction mixture was then stirred at room temperature for 2 days. It was then cooled to −78° C., triethylamine (120 ml) was added dropwise, and the mixture was then warmed to room temperature. The molecular sieves were removed by filtration, and the reaction mixture was concentrated in vacuum to remove the solvent. The residue was purified by column chromatography (ethyl acetate/hexane=7/3), and the solvent was concentrated in vacuum to give compound 2 (5.2 g, 75%) as a pale yellow oil.
The 1 H-NMR data of the obtained compound 2 is shown below.
1 H-NMR (400 MHz, DMSO-d 6 ): 4.46 (d, J=4.0 Hz, 1H), 3.55-3.50 (m, 1H), 3.05 (s, 6H), 1.80-1.29 (m, 8H).

重クロム酸ピリジニウム(3.5g,9.36mmol)及びモレキュラーシーブ3A(粉末,5g)を化合物2(500mg,3.12mmol)のジクロロメタン溶液に加えた。次に、反応混合物を室温で一晩撹拌した。セライト濾過後、濾液を真空下で濃縮した。残渣をカラムクロマトグラフィー(酢酸エチル/ヘキサン=1/1)により精製し、溶媒を真空下で濃縮することで化合物3(353mg,72%)を無色のオイルとして得た。
得られた化合物3のH-NMRデータを以下に示す。
H-NMR(400MHz,CDCl):3.27(s,6H),2.40(t,J=8.0Hz,4H),2.04(t,J=8.0Hz,4H).
Pyridinium dichromate (3.5 g, 9.36 mmol) and molecular sieves 3A (powder, 5 g) were added to a solution of compound 2 (500 mg, 3.12 mmol) in dichloromethane. The reaction mixture was then stirred at room temperature overnight. After filtration through Celite, the filtrate was concentrated under vacuum. The residue was purified by column chromatography (ethyl acetate/hexane=1/1), and the solvent was concentrated under vacuum to give compound 3 (353 mg, 72%) as a colorless oil.
The 1 H-NMR data of the obtained compound 3 is shown below.
1 H-NMR (400 MHz, CDCl 3 ): 3.27 (s, 6H), 2.40 (t, J=8.0 Hz, 4H), 2.04 (t, J=8.0 Hz, 4H).

チオフェン-3-カルボキシアルデヒド(10ml,110mmol)のトルエン溶液(300mL)に、エチレングリコール(50ml)とp-トルエンスルホン酸一水和物(1.4g,8.0mmol)を加えた。Dean-Starkトラップで生成してくる水をトラップしながら、この溶液を5時間撹拌還流した。反応混合物を室温に冷却し、10%炭酸水素ナトリウム水溶液(300mL)に注いだ。この溶液を酢酸エチルで抽出し、硫酸ナトリウムで乾燥させ、真空下で濃縮した。残渣をカラムクロマトグラフィー(酢酸エチル/ヘキサン=1/4)で精製し、溶液を真空下で濃縮することで化合物4(16.6g,5%出発原料を含む)を黄色のオイルとして得た。
得られた化合物4のH-NMRデータを以下に示す。
H-NMR(400MHz,CDCl):7.42(d,J=4.0Hz,1H),7.32(t,J=4.0Hz,1H),7.16(d,J=8.0Hz,1H),5.91(s,1H),4.15-3.98(m,4H).
To a solution of thiophene-3-carboxaldehyde (10 ml, 110 mmol) in toluene (300 mL) were added ethylene glycol (50 ml) and p-toluenesulfonic acid monohydrate (1.4 g, 8.0 mmol). The solution was stirred and refluxed for 5 hours while trapping the water generated with a Dean-Stark trap. The reaction mixture was cooled to room temperature and poured into 10% aqueous sodium bicarbonate solution (300 mL). The solution was extracted with ethyl acetate, dried over sodium sulfate, and concentrated in vacuum. The residue was purified by column chromatography (ethyl acetate/hexane=1/4), and the solution was concentrated in vacuum to give compound 4 (16.6 g, containing 5% starting material) as a yellow oil.
The 1 H-NMR data of the obtained compound 4 is shown below.
1H -NMR (400MHz, CDCl3 ): 7.42 (d, J = 4.0Hz, 1H), 7.32 (t, J = 4.0Hz, 1H), 7.16 (d, J = 8.0Hz, 1H), 5.91 (s, 1H), 4.15-3.98 (m, 4H).

アルゴン雰囲気下、n-ブチルリチウムヘキサン溶液(2.6M,25ml,65mmol)を化合物4(9.2g,50mmol)のテトラヒドロフラン(100ml)溶液に-78℃で滴下し、反応混合物を-78℃で30分間撹拌した。ジメチルホルムアミド(4.9ml,63mmol)を反応混合物に-78℃で滴下した。その後、反応混合物を室温まで温め、室温で一晩撹拌した。次に、水でクエンチした後、セライトろ過を行い、酢酸エチルで残渣を洗い流した。次に、残留物を酢酸エチルで抽出した後、硫酸ナトリウムで乾燥し、真空下で濃縮した。残渣をカラムクロマトグラフィー(酢酸エチル/ヘキサン=1/4)により精製し、溶液を濃縮することで化合物5(8.2g,89%)をオレンジ色のオイルとして得た。
得られた化合物5のH-NMRデータを以下に示す。
H-NMR(400MHz,CDCl):10.24(s,1H),7.65(d,J=4.0Hz,1H),7.26(d,J=4.0Hz,1H),6.24(s,1H),4.17-4.05(m,4H).
Under an argon atmosphere, n-butyllithium hexane solution (2.6M, 25ml, 65mmol) was added dropwise to a solution of compound 4 (9.2g, 50mmol) in tetrahydrofuran (100ml) at -78°C, and the reaction mixture was stirred at -78°C for 30 minutes. Dimethylformamide (4.9ml, 63mmol) was added dropwise to the reaction mixture at -78°C. The reaction mixture was then warmed to room temperature and stirred at room temperature overnight. Next, the mixture was quenched with water, filtered through Celite, and the residue was washed with ethyl acetate. Next, the residue was extracted with ethyl acetate, dried over sodium sulfate, and concentrated under vacuum. The residue was purified by column chromatography (ethyl acetate/hexane=1/4), and the solution was concentrated to obtain compound 5 (8.2g, 89%) as an orange oil.
The 1 H-NMR data of the obtained compound 5 is shown below.
1 H-NMR (400 MHz, CDCl 3 ): 10.24 (s, 1H), 7.65 (d, J=4.0 Hz, 1H), 7.26 (d, J=4.0 Hz, 1H), 6.24 (s, 1H), 4.17-4.05 (m, 4H).

化合物5(807mg,4.38mmol)および化合物3(346mg,2.19mmol)のテトラヒドロフラン(5ml)とエタノール(15ml)の混合溶液に、10%水酸化カリウム水溶液(0.2ml)を加えた。次に、反応混合物を室温で一晩撹拌した。有機溶媒を真空下で濃縮した後、粗固体をジクロロメタン/メタノールで再沈殿させて、化合物6(870mg,81%)を黄色の結晶として得た。
得られた化合物6のH-NMRデータを以下に示す。
H-NMR(400MHz,CDCl):8.27(s,2H),7.48(d,J=8.0Hz,2H),7.29(d,J=8.0Hz,2H),6.12(s,2H),4.20-4.04(m,8H),3.23(s,6H),3.18(s,4H).
To a mixed solution of compound 5 (807 mg, 4.38 mmol) and compound 3 (346 mg, 2.19 mmol) in tetrahydrofuran (5 ml) and ethanol (15 ml), 10% aqueous potassium hydroxide solution (0.2 ml) was added. The reaction mixture was then stirred overnight at room temperature. After concentrating the organic solvent under vacuum, the crude solid was reprecipitated with dichloromethane/methanol to give compound 6 (870 mg, 81%) as yellow crystals.
The 1 H-NMR data of the obtained compound 6 is shown below.
1H -NMR (400MHz, CDCl3 ): 8.27 (s, 2H), 7.48 (d, J = 8.0Hz, 2H), 7.29 (d, J = 8.0Hz, 2H), 6.12 (s, 2H), 4.20-4.04 (m, 8H), 3.23 (s, 6H), 3.18 (s, 4H).

アルゴン雰囲気下で、脱水アセトン(15ml)中に懸濁させた化合物6(500mg,1.02mmol)に、トリフルオロメタンスルホン酸インジウム(III)塩(143mg,0.25mmol)を加えた。その後、反応混合物を一晩還流させた。反応溶液を室温に冷却後、混合物を濾過し、得られた固体をアセトン、ジクロロメタンの順番で洗浄することで化合物7(193mg,59%)を赤褐色固体として得た。
得られた化合物7のH-NMRデータを以下に示す。
H-NMR(400MHz,CDCl):8.92(s,2H),8.84(s,2H),7.79(d,J=5.6Hz,2H),7.61(d,J=5.6Hz,2H).
In an argon atmosphere, indium trifluoromethanesulfonate (III) salt (143 mg, 0.25 mmol) was added to compound 6 (500 mg, 1.02 mmol) suspended in dehydrated acetone (15 ml). The reaction mixture was then refluxed overnight. After the reaction solution was cooled to room temperature, the mixture was filtered, and the obtained solid was washed with acetone and dichloromethane in that order to obtain compound 7 (193 mg, 59%) as a reddish brown solid.
The 1 H-NMR data of the obtained compound 7 is shown below.
1H -NMR (400MHz, CDCl3 ): 8.92 (s, 2H), 8.84 (s, 2H), 7.79 (d, J = 5.6Hz, 2H), 7.61 (d, J = 5.6Hz, 2H).

アルゴン雰囲気下の9,10-ジブロモアントラセン(1.0g,3mmol)の脱水エーテル溶液(24ml)に、n-ブチルリチウムヘキサン溶液(1.6M,1.92ml,3mmol)を-15℃でゆっくり滴下した。その後、反応溶液を0℃までゆっくり昇温し、30分間撹拌させることで、リチオ化されたアントラセンを得た。別の反応容器に、化合物7(50mg,0.16mmol)と脱水エーテル(6ml)をアルゴン雰囲気下で加えた。次に、得られた化合物7の懸濁液を、上記で調整したリチオ化されたアントラセンエーテル溶液に0℃でゆっくり加えた。0℃で2時間撹拌した後、室温に昇温し、さらに12時間撹拌した。メタノールを入れて反応をクエンチした後、残渣をカラムクロマトグラフィー(酢酸エチル/ヘキサン=1/4)により精製し、溶液を濃縮することで化合物8のジオール体を得た。その後、化合物8のジオール体とヨウ化ナトリウム(0.99g,6.6mmol)とホスフィン酸ナトリウム一水和物(0.85g,8.0mmol)を酢酸(50ml)中に懸濁させ、2時間還流させた。室温に冷却後、水を加え、得られた沈殿物を濾過し、メタノールおよびヘキサンで洗浄した。最後に、クロロホルムとメタノールで再沈殿させることで、目的の化合物8(10mg,8%)をオレンジ色の固体として得た。
得られた化合物8のH-NMRデータを以下に示す。また、H-NMRスペクトルを図4に示す。
H-NMR(600MHz,CDCl):8.83(d,J=8.4Hz,2H),7.71(s,2H),7.69-7.66(m,6H), 7.31-7.30(m,8H),7.21(d,J=5.4Hz,2H),6.92(d,J=5.4Hz,2H).
A n-butyllithium hexane solution (1.6 M, 1.92 ml, 3 mmol) was slowly dropped at −15° C. into a dehydrated ether solution (24 ml) of 9,10-dibromoanthracene (1.0 g, 3 mmol) under an argon atmosphere. The reaction solution was then slowly heated to 0° C. and stirred for 30 minutes to obtain lithiated anthracene. Compound 7 (50 mg, 0.16 mmol) and dehydrated ether (6 ml) were added to another reaction vessel under an argon atmosphere. Next, the resulting suspension of compound 7 was slowly added to the lithiated anthracene ether solution prepared above at 0° C. After stirring at 0° C. for 2 hours, the temperature was raised to room temperature and further stirred for 12 hours. After adding methanol to quench the reaction, the residue was purified by column chromatography (ethyl acetate/hexane=1/4), and the solution was concentrated to obtain a diol form of compound 8. Then, the diol form of compound 8, sodium iodide (0.99 g, 6.6 mmol), and sodium phosphinate monohydrate (0.85 g, 8.0 mmol) were suspended in acetic acid (50 ml) and refluxed for 2 hours. After cooling to room temperature, water was added, and the resulting precipitate was filtered and washed with methanol and hexane. Finally, the target compound 8 (10 mg, 8%) was obtained as an orange solid by reprecipitation with chloroform and methanol.
The 1 H-NMR data of the obtained compound 8 is shown below, and the 1 H-NMR spectrum is shown in FIG.
1H -NMR (600MHz, CDCl3 ): 8.83 (d, J = 8.4Hz, 2H), 7.71 (s, 2H), 7.69-7.66 (m, 6H), 7.31-7.30 (m, 8H), 7.21 (d, J = 5.4Hz, 2H), 6.92 (d, J = 5.4Hz, 2H).

(実施例2)
<グラフェンナノリボンの製造>
実施例1で得られたグラフェンナノリボン前駆体を用いて、ボトムアップ手法によりグラフェンナノリボンを合成した。ボトムアップ手法では、グラフェンナノリボン前駆体を真空中で触媒金属基板に真空蒸着する。
Example 2
<Production of graphene nanoribbons>
Graphene nanoribbons were synthesized by a bottom-up approach using the graphene nanoribbon precursor obtained in Example 1. In the bottom-up approach, the graphene nanoribbon precursor is vacuum-deposited onto a catalytic metal substrate in a vacuum.

先ず、触媒金属基板として、マイカ基板にAu(111)蒸着膜(PHASIS社製)を有する基板を5mm×10mmに用意した。前記基板を4端子走査トンネル顕微鏡装置(株式会社ユニソク製)に導入し、付属の基板準備室でArスパッタ及び450℃のアニールをすることで前記基板を清浄化した。Arイオンの加速電圧は0.7kVであり、イオン電流は0.4~0.6μAであった。 First, a 5 mm x 10 mm substrate with a Au (111) evaporated film (PHASIS) on a mica substrate was prepared as a catalytic metal substrate. The substrate was introduced into a four-terminal scanning tunneling microscope (UNISOKU Co., Ltd.) and cleaned by Ar sputtering and annealing at 450°C in the attached substrate preparation chamber. The acceleration voltage of the Ar ions was 0.7 kV, and the ion current was 0.4 to 0.6 μA.

清浄化した基板のAu(111)面を200℃に保持し、実施例1で合成したグラフェンナノリボン前駆体を真空蒸着した。蒸着には、有機蒸着源(KOD-CELL、北野精機製)を用いて、膜厚レートモニタ(インフィコン社製)で蒸着レートを決定した。このときの蒸着量は、1分子層程度になるように調節することが望ましい。本実施例2では、膜厚計の値で3nm程度の量を蒸着したところ、基板から再蒸発して1層程度が残留することが明らかになった。 The Au(111) surface of the cleaned substrate was kept at 200°C, and the graphene nanoribbon precursor synthesized in Example 1 was vacuum-deposited. An organic deposition source (KOD-CELL, Kitano Seiki Co., Ltd.) was used for deposition, and the deposition rate was determined with a film thickness rate monitor (Inficon Co., Ltd.). It is desirable to adjust the deposition amount at this time so that it is about one molecular layer. In this Example 2, when an amount of about 3 nm was deposited as measured by the film thickness meter, it was found that it re-evaporated from the substrate, leaving about one layer.

Au(111)面上では、前記グラフェンナノリボン前駆体中のBrが脱離してウルマン反応が起き、分子どうしの重合反応(ポリマー化)が起き、アントラセンポリマーが生成する。さらに、真空中で350℃~450℃の基板加熱により、芳香環化反応が起きて、アントラセンどうしを繋ぐ結合が形成されることで、エッジにチオフェン環が修飾されたグラフェンナノリボンが得られる。 On the Au(111) surface, Br in the graphene nanoribbon precursor is removed, causing an Ullmann reaction, which causes a molecular polymerization reaction (polymerization) to occur, producing an anthracene polymer. Furthermore, by heating the substrate at 350°C to 450°C in a vacuum, an aromatization reaction occurs, forming bonds that connect the anthracenes together, resulting in graphene nanoribbons with thiophene rings modified on the edges.

図5Aは、200℃に保持したAu(111)面上で生成した前記アントラセンポリマーの走査トンネル顕微鏡(STM)像を示す図である。図5Bは、前記STM像の拡大図にTersoff-Hamann法によるSTMシミュレーション像を組み込んだ図である。
図5Aから、得られたアントラセンポリマーは、100nmを超えるほどの長さを有することがわかった。また、図5Bから、前記STM像とシミュレーション像はよく一致することがわかった。
Fig. 5A shows a scanning tunneling microscope (STM) image of the anthracene polymer formed on a Au(111) surface held at 200° C. Fig. 5B shows an enlarged view of the STM image incorporating a Tersoff-Hamann simulated STM image.
It is seen from Fig. 5A that the obtained anthracene polymer has a length of more than 100 nm, and it is seen from Fig. 5B that the STM image and the simulation image are in good agreement with each other.

次に、前記STM像の断面プロファイルを測定した。測定は、図5Cに示すA-A’間で行った。図5Dに示す断面プロファイルの結果から、得られたアントラセンポリマーは、およそ0.4nmの高さを有することがわかった。 Next, the cross-sectional profile of the STM image was measured. The measurement was performed between A-A' shown in Figure 5C. From the cross-sectional profile results shown in Figure 5D, it was found that the obtained anthracene polymer had a height of approximately 0.4 nm.

図6Aは、前記アントラセンポリマーを、さらに真空中で350℃~450℃の基板加熱により得られたグラフェンナノリボンのSTM像を示す図である。図5Aに示したアントラセンポリマーのSTM像とは異なり、得られたグラフェンナノリボンについては、平板なリボン形状が観測された。例えば、図6Aの中心にあるグラフェンナノリボンにおいて、前記構造式(1)又は(2)中のnの数は、10である。 Figure 6A shows an STM image of a graphene nanoribbon obtained by further heating the anthracene polymer to a substrate at 350°C to 450°C in a vacuum. Unlike the STM image of the anthracene polymer shown in Figure 5A, a flat ribbon shape was observed for the obtained graphene nanoribbon. For example, in the graphene nanoribbon at the center of Figure 6A, the number n in the structural formula (1) or (2) is 10.

次に、得られたグラフェンナノリボンのSTM像の断面プロファイルを測定した。測定は、図6Bに示すB-B’間で行った。図6Cに示す断面プロファイルの結果から、得られたグラフェンナノリボンは、およそ0.2nmの高さを有することがわかった。 Next, the cross-sectional profile of the STM image of the obtained graphene nanoribbon was measured. The measurement was performed between B-B' shown in Figure 6B. From the cross-sectional profile results shown in Figure 6C, it was found that the obtained graphene nanoribbon had a height of approximately 0.2 nm.

図5D及び図6Cに示した断面プロファイルの結果から、グラフェンナノリボンはアントラセンポリマーより高さが低くなっており、これは、アントラセンポリマーがグラフェンナノリボン化した1つの証拠でもあることがわかる。 The cross-sectional profile results shown in Figures 5D and 6C show that the graphene nanoribbons are shorter in height than the anthracene polymer, which is one piece of evidence that the anthracene polymer has been transformed into graphene nanoribbons.

得られたグラフェンナノリボンについて、X線光電子分光(XPS)法による測定を行った。
XPSスペクトルにおいては、163.6eV付近にチオフェン環のSの2p3/2の特徴的なピークが現れることが知られている(Chem. Sci., 2019, 10, 5167-5175)。本実施例で測定したXPSスペクトルにも、163.6eVにピークが現れており、得られたグラフェンナノリボンがチオフェン環を含むことが確認された。
The obtained graphene nanoribbons were measured by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS).
It is known that in the XPS spectrum, a characteristic peak of 2p 3/2 of S in the thiophene ring appears around 163.6 eV (Chem. Sci., 2019, 10, 5167-5175). The XPS spectrum measured in this example also had a peak at 163.6 eV, confirming that the obtained graphene nanoribbon contains a thiophene ring.

(実施例3)
<トップゲート型電界効果型トランジスタ(FET)>
一例として、開示のグラフェンナノリボンをトランジスタのチャネルに用いた例を、図7に示す。
図7に示す半導体装置600は、トップゲート型FETの一例である。半導体装置600は、支持基板610、グラフェンナノリボン620、電極630a、電極630b、ゲート絶縁膜640、及びゲート電極650を有する。
Example 3
<Top-gate field-effect transistor (FET)>
As an example, FIG. 7 shows the use of the disclosed graphene nanoribbons in a transistor channel.
7 is an example of a top-gate FET. The semiconductor device 600 includes a support substrate 610, a graphene nanoribbon 620, an electrode 630a, an electrode 630b, a gate insulating film 640, and a gate electrode 650.

支持基板610には、各種基板を用いることができ、少なくとも表層に無機系又は有機系の絶縁材料、例えば、酸化シリコン(SiO)が設けられた各種基板を用いる。このような支持基板610の上に、グラフェンナノリボン620を設ける。 Various substrates can be used as the support substrate 610, and various substrates having an inorganic or organic insulating material, for example, silicon oxide (SiO 2 ), provided at least on the surface layer are used. Graphene nanoribbons 620 are provided on such a support substrate 610.

グラフェンナノリボン620には、実施例1及び2で得られたグラフェンナノリボンを用いる。グラフェンナノリボン620は、例えば、ボトムアップ手法で得られたものを、支持基板610の上に転写することで設けることができる。 The graphene nanoribbon 620 is the graphene nanoribbon obtained in Examples 1 and 2. The graphene nanoribbon 620 can be provided, for example, by transferring the graphene nanoribbon obtained by the bottom-up method onto the support substrate 610.

支持基板610の上に設けたグラフェンナノリボン620の両端部上にそれぞれ、電極630a及び電極630bを設ける。電極630a及び電極630bには、Au、Ti、Cr、Co、Ni、Pd、Pt、Al、Cu、及びAg等の金属が用いられる。 An electrode 630a and an electrode 630b are provided on both ends of a graphene nanoribbon 620 provided on a support substrate 610. Metals such as Au, Ti, Cr, Co, Ni, Pd, Pt, Al, Cu, and Ag are used for the electrodes 630a and 630b.

このような電極630aと電極630bとの間のグラフェンナノリボン620上に、ゲート絶縁膜640を介してゲート電極650を設ける。ゲート絶縁膜640には、SiO等の各種絶縁材料を用いる。ゲート電極650には、ポリシリコンや金属等の各種導体材料を用いる。 A gate electrode 650 is provided on the graphene nanoribbon 620 between the electrodes 630a and 630b via a gate insulating film 640. The gate insulating film 640 is made of various insulating materials such as SiO. The gate electrode 650 is made of various conductive materials such as polysilicon and metal.

トップゲート型FETとして用いられる半導体装置600では、グラフェンナノリボン620がチャネルとして用いられる。ゲート電極650の電位が制御されることで、電極630aと電極630bとの間を繋ぐグラフェンナノリボン620、即ちチャネルのオン、オフの状態が制御される。グラフェンナノリボン620の高いキャリア移動度を活かした、高速のFETが実現される。 In the semiconductor device 600 used as a top-gate FET, the graphene nanoribbon 620 is used as a channel. By controlling the potential of the gate electrode 650, the on/off state of the graphene nanoribbon 620 connecting the electrodes 630a and 630b, i.e., the channel, is controlled. A high-speed FET is realized by taking advantage of the high carrier mobility of the graphene nanoribbon 620.

(実施例4)
<ショットキーバリアダイオード>
一例として、開示のグラフェンナノリボンをショットキーバリアダイオードに用いた例を、図8に示す。
図8に示す半導体装置700は、ショットキーバリアダイオードの一例である。半導体装置700は、支持基板710、グラフェンナノリボン720、電極730、及び電極740を有する。
Example 4
<Schottky barrier diode>
As an example, the use of the disclosed graphene nanoribbons in a Schottky barrier diode is shown in FIG.
8 is an example of a Schottky barrier diode. The semiconductor device 700 includes a support substrate 710, a graphene nanoribbon 720, an electrode 730, and an electrode 740.

支持基板710には、各種基板を用いることができ、少なくとも表層に無機系又は有機系の絶縁材料、例えば、酸化シリコン(SiO)や六方晶窒化ホウ素(h-BN)が設けられた各種基板を用いる。このような支持基板710の上に、グラフェンナノリボン720を設ける。 Various substrates can be used as the support substrate 710, and various substrates having at least a surface layer of an inorganic or organic insulating material, such as silicon oxide (SiO 2 ) or hexagonal boron nitride (h-BN), are used. Graphene nanoribbons 720 are provided on such a support substrate 710.

支持基板710の上に設けられたグラフェンナノリボン720の一方の端部上に電極730を設け、グラフェンナノリボン720の他方の端部上に電極740を設ける。一方の電極730には、グラフェンナノリボン720とオーミック接続する金電極を用いる。図9に示すように、金電極直下でグラフェンナノリボンのエッジのチオフェン環が開裂し、金電極と結合する。そのため、金電極側はオーミック接続とすることができる。他方の電極740には、グラフェンナノリボン720とショットキー接続するAl等の金属を用いる。 An electrode 730 is provided on one end of a graphene nanoribbon 720 provided on a support substrate 710, and an electrode 740 is provided on the other end of the graphene nanoribbon 720. One electrode 730 is a gold electrode that makes an ohmic connection with the graphene nanoribbon 720. As shown in FIG. 9, the thiophene rings at the edge of the graphene nanoribbon are cleaved directly under the gold electrode and bonded to the gold electrode. Therefore, the gold electrode side can be in an ohmic connection. The other electrode 740 is a metal such as Al that makes a Schottky connection with the graphene nanoribbon 720.

半導体装置700では、グラフェンナノリボン720を用い、一方の端部側で電極730とのオーミック接続が実現され、他方の端部側で電極740とのショットキー接続が実現される。これにより、優れたダイオード特性を有するショットキーバリアダイオードが実現される。 In the semiconductor device 700, a graphene nanoribbon 720 is used to realize an ohmic connection with an electrode 730 at one end and a Schottky connection with an electrode 740 at the other end. This realizes a Schottky barrier diode with excellent diode characteristics.

更に以下の付記を開示する。
(付記1)
構造式(1)又は構造式(2)で表されることを特徴とするグラフェンナノリボン。
ただし、前記構造式(1)及び(2)中、nは整数を表す。
(付記2)
2位及び3位に第1チオフェン環を結合させ、7位及び8位に第2チオフェン環を結合させた第1アントラセンと、
前記第1アントラセンの9位と結合する10位を有する第2アントラセンと、
前記第1アントラセンの10位と結合する9位を有する第3アントラセンと
を有することを特徴とするグラフェンナノリボン前駆体。
(付記3)
構造式(3)又は構造式(4)で表されることを特徴とする付記2に記載のグラフェンナノリボン前駆体。
ただし、前記構造式(3)及び(4)中、Xは、ヨウ素又は臭素を表し、Yは、水素又はハロゲン原子を表す。
(付記4)
2位及び3位に第1チオフェン環を結合させ、7位及び8位に第2チオフェン環を結合させた第1アントラセンと、前記第1アントラセンの9位と結合する10位を有する第2アントラセンと、前記第1アントラセンの10位と結合する9位を有する第3アントラセンとを有するグラフェンナノリボン前駆体を重合させることを特徴とするグラフェンナノリボンの製造方法。
(付記5)
前記グラフェンナノリボン前駆体は、構造式(3)又は構造式(4)で表されることを特徴とする付記4に記載のグラフェンナノリボンの製造方法。
ただし、前記構造式(3)及び(4)中、Xは、ヨウ素又は臭素を表し、Yは、水素又はハロゲン原子を表す。
(付記6)
構造式(1)又は構造式(2)で表されるグラフェンナノリボンと、前記グラフェンナノリボンと接続された2つの電極を有することを特徴とする半導体装置。
ただし、前記構造式(1)及び(2)中、nは整数を表す。
(付記7)
前記2つの電極のうち一方は、前記グラフェンナノリボンとオーミック接続することを特徴とする付記4に記載の半導体装置。
(付記8)
2位及び3位に第1チオフェン環を結合させ、7位及び8位に第2チオフェン環を結合させた第1アントラセンと、
前記第1アントラセンの9位と結合する10位を有する第2アントラセンと、
前記第1アントラセンの10位と結合する9位を有する第3アントラセンと
を有することを特徴とするグラフェンナノリボン化合物。
(付記9)
構造式(3)又は構造式(4)で表されることを特徴とする付記8に記載の化合物。
ただし、前記構造式(3)及び(4)中、Xは、ヨウ素又は臭素を表し、Yは、水素又はハロゲン原子を表す。
(付記10)
構造式(1)又は構造式(2)で表されるグラフェンナノリボンに、一対の電極を接触させて形成する工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
ただし、前記構造式(1)及び(2)中、nは整数を表す。
The following notes are further disclosed:
(Appendix 1)
A graphene nanoribbon represented by structural formula (1) or structural formula (2).
In the structural formulas (1) and (2), n represents an integer.
(Appendix 2)
a first anthracene having a first thiophene ring bonded to the 2- and 3-positions and a second thiophene ring bonded to the 7- and 8-positions;
a second anthracene having a 10-position bonded to the 9-position of the first anthracene;
and a third anthracene having a 9-position bonded to the 10-position of the first anthracene.
(Appendix 3)
A graphene nanoribbon precursor according to claim 2, characterized in that it is represented by structural formula (3) or structural formula (4).
In the structural formulas (3) and (4), X represents iodine or bromine, and Y represents hydrogen or a halogen atom.
(Appendix 4)
A method for producing graphene nanoribbons, comprising polymerizing a graphene nanoribbon precursor having a first anthracene having a first thiophene ring bonded to the 2- and 3-positions and a second thiophene ring bonded to the 7- and 8-positions, a second anthracene having a 10-position bonded to the 9-position of the first anthracene, and a third anthracene having a 9-position bonded to the 10-position of the first anthracene.
(Appendix 5)
The method for producing graphene nanoribbons described in Appendix 4, wherein the graphene nanoribbon precursor is represented by structural formula (3) or structural formula (4).
In the structural formulas (3) and (4), X represents iodine or bromine, and Y represents hydrogen or a halogen atom.
(Appendix 6)
A semiconductor device comprising: a graphene nanoribbon represented by structural formula (1) or structural formula (2); and two electrodes connected to the graphene nanoribbon.
In the structural formulas (1) and (2), n represents an integer.
(Appendix 7)
The semiconductor device described in Appendix 4, wherein one of the two electrodes is in ohmic contact with the graphene nanoribbon.
(Appendix 8)
a first anthracene having a first thiophene ring bonded to the 2- and 3-positions and a second thiophene ring bonded to the 7- and 8-positions;
a second anthracene having a 10-position bonded to the 9-position of the first anthracene;
and a third anthracene having a 9-position bonded to the 10-position of the first anthracene.
(Appendix 9)
The compound according to claim 8, which is represented by structural formula (3) or structural formula (4).
In the structural formulas (3) and (4), X represents iodine or bromine, and Y represents hydrogen or a halogen atom.
(Appendix 10)
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising the step of contacting a pair of electrodes with a graphene nanoribbon represented by structural formula (1) or structural formula (2).
In the structural formulas (1) and (2), n represents an integer.

開示の技術は、グラフェンナノリボンを含む半導体装置及びその製造方法に関する産業に好適である。 The disclosed technology is suitable for industries related to semiconductor devices including graphene nanoribbons and manufacturing methods thereof.

600 半導体装置
610 支持基板
620 グラフェンナノリボン
630a 電極
630b 電極
640 ゲート絶縁膜
650 ゲート電極
700 半導体装置
710 支持基板
720 グラフェンナノリボン
730 電極
740 電極

600 Semiconductor device 610 Support substrate 620 Graphene nanoribbon 630a Electrode 630b Electrode 640 Gate insulating film 650 Gate electrode 700 Semiconductor device 710 Support substrate 720 Graphene nanoribbon 730 Electrode 740 Electrode

Claims (4)

構造式(1)又は構造式(2)で表されることを特徴とするグラフェンナノリボン。
ただし、前記構造式(1)及び(2)中、nは整数を表す。
A graphene nanoribbon represented by structural formula (1) or structural formula (2).
In the structural formulas (1) and (2), n represents an integer.
構造式(3)又は構造式(4)で表されることを特徴とするグラフェンナノリボン前駆体。
ただし、前記構造式(3)及び(4)中、Xは、ヨウ素又は臭素を表し、Yは、水素又はハロゲン原子を表す。
A graphene nanoribbon precursor represented by structural formula (3) or structural formula (4).
In the structural formulas (3) and (4), X represents iodine or bromine, and Y represents hydrogen or a halogen atom.
構造式(3)又は構造式(4)で表されるグラフェンナノリボン前駆体を重合させることを特徴とするグラフェンナノリボンの製造方法。
ただし、前記構造式(3)及び(4)中、Xは、ヨウ素又は臭素を表し、Yは、水素又はハロゲン原子を表す。
A method for producing graphene nanoribbons, comprising polymerizing a graphene nanoribbon precursor represented by structural formula (3) or structural formula (4).
In the structural formulas (3) and (4), X represents iodine or bromine, and Y represents hydrogen or a halogen atom.
構造式(1)又は構造式(2)で表されるグラフェンナノリボンを有することを特徴とする半導体装置。
ただし、前記構造式(1)及び(2)中、nは整数を表す。
A semiconductor device comprising a graphene nanoribbon represented by structural formula (1) or structural formula (2).
In the structural formulas (1) and (2), n represents an integer.
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