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出典検索?: "グラフェン" ? ニュース ・ 書籍 ・ スカラー ・ CiNii ・ J-STAGE ・ NDL ・ dlib.jp ・ ジャパンサーチ ・ TWL（2015年7月）

グラフェン (英: graphene) とは、1原子の厚さのsp2結合炭素原子のシート状物質。炭素原子とその結合からできた蜂の巣のような六角形格子構造をとっている。名称の由来はグラファイト (Graphite) から。グラファイト自体もグラフェンシートが多数積み重なってできている。

グラフェンの炭素間結合距離は約0.142 nm。炭素同素体（グラファイト、カーボンナノチューブ、フラーレンなど）の基本的な構造である。 グラフェンの分子構造モデル目次

1 説明

2 製法

3 特性

3.1 導電性

3.2 光学特性

3.3 スピン輸送

3.4 磁場効果


4 擬相対論

5 用途

6 商業生産

7 ポストグラフェン物質

8 脚注

9 関連項目

10 外部リンク

説明

ダイヤモンド以上に炭素同士の結合が強く、平面内ではダイヤモンドより強い物質と考えられている。物理的にもとても強く、世界で最も引っ張りに強い。熱伝導も世界で最も良いとされ、電気の伝導度もトップクラスに良い物質である。

完全なグラフェンは、六角形セルの集合のみからなり、五角形や七角形のセルは格子欠陥となる。五角形のセルが孤立して存在するときには、平面はコーン状にとがってしまう（12個の五角形セルはフラーレンを作る）同じように七角形のセルが孤立したものはシートをサドル型に曲げる。五角形や七角形セルの導入を制御することでカーボンナノバッドのような様々な形状を生み出すことができる。1層からなるカーボンナノチューブは筒型のグラフェンとみることができる（6個の五角形セルからなるグラフェンの半球キャップが末端についていることもある）。二次元物質グラフェンに関する先駆的実験により2010年にアンドレ・ガイム（Andre Geim）とコンスタンチン・ノボセロフ（Konstantin Novoselov）はノーベル物理学賞を受賞した[1]。
製法

2000年代になるまでグラフェンを入手することが困難で長年この分野の研究が進まなかった。2004年にセロハンテープ（スコッチテープ）にグラファイト（黒鉛）のかけらを貼り付けて剥がすことでグラフェンを得られるようになったことで、グラフェンの応用研究が進んだ[1]。

グラファイトは二次元状のグラフェンが複数積層した物でグラフェン同士が結合力の弱いファンデルワールス力によって上下に結び付き、層状の構造を形成しているため、セロハンテープの粘着力で剥がすことでグラフェンを得る『スコッチテープ法』、炭化珪素(SiC)を熱分解する手法や触媒金属層を形成した基板に炭素を含むガスを供給する『化学的気相成長法』(CVD)がある[1]。
特性
導電性

実験結果から、グラフェン中の電子の移動度は、室温で15,000 cm2V-1s-1と驚くほど高い。加えて実験から電気伝導度が対称であることが分かっており、これは電子とホールの移動度がほぼ同じであることを示唆している。移動度が10 Kから100 Kの範囲で温度にほとんど依存しないことから、格子欠陥が散乱の主な原因であると思われる。グラフェン中の音響フォノンによる散乱のために、室温での移動度は200,000 cm2V-1s-1（キャリア密度が10-12cm-2のとき）に制限されるが、これに対応する抵抗は10-6Ω・cmである。この値は、室温での抵抗が最も小さい物質である銀よりも小さい抵抗値である。しかし二酸化ケイ素基板上のグラフェンでは、室温でグラフェン自身の音響フォノンによる散乱よりも、基板の光学フォノンによる電子散乱の影響が大きく、移動度は40,000 cm2V-1s-1まで制限される。

ディラックポイント近傍ではキャリア密度がゼロであるにもかかわらず、グラフェンは 4 e 2 / h {\displaystyle {4e^{2}}/h} のオーダーの最小電気伝導度を示す。この最小電気伝導度の起源はいまだにはっきりしていない。しかし、グラフェンシートを引きはがしたり、SiO2基板にイオン化した不純物を混入したりすることで、キャリアの水溜りを局在させることができ伝導するようになる。いくつかの理論は、最小伝導度が 4 e 2 / h Π {\displaystyle {4e^{2}}/{h\Pi }} であることを説明するが、ほとんどの推定は 4 e 2 / h {\displaystyle {4e^{2}}/h} かそれ以上のオーダーである上、不純物の濃度に依存する。

最近の実験により、化学的ドーパントがグラフェン中のキャリアの移動度に影響を与えることが証明されてきている。Schedinらは、さまざまな気体種（あるものはアクセプターとなり、あるものはドナーである）をグラフェンにドーピングし、真空中でグラフェンをゆっくりと加熱することにより、ドープ前のグラフェン構造が再現することを発見した。Schedinらは、ドーパント濃度が1012cm-2を超える場合でも、キャリアの移動度には目立った変化は無かったと報告している。Chenらは、超高真空・低温でカリウムをグラフェンにドープし、予想通りカリウムイオンがグラフェン中で荷電不純物として振舞い、移動度を20-foldほど減少させることを発見している。グラフェンを熱してカリウムを除去することにより、減少した移動度は元に戻すことが可能である。
光学特性

その独特な電気的特性により、グラフェンは炭素原子の1層構造でありながら予想以上に不透明度が高い。グラフェンの白色光の吸収率はπα ≒ 2.3 %という驚くほど単純な値になる。ここでαは微細構造定数である。これは実験的に確かめられている事実ではあるが、微細構造定数の値の改善に使えるほど正確な測定ではない。
スピン輸送

グラフェンは、スピン軌道相互作用が小さく、また炭素の核磁気モーメントが無視できることから、スピントロニクスの理想的な材料と考えられている。室温での電気的なスピン流の導入・検波が最近示された。室温で1マイクロメートル以上のスピンコヒーレンス長も観測されており、低温ではスピン流の向きを電気的なゲートで制御することもできている。
磁場効果

高い移動度と最小電気伝導度に加えて、グラフェンは磁場中で非常に興味深い振る舞いをする。グラフェンは通常の量子ホール効果とは系列が 1 / 2 {\displaystyle 1/2} だけずれた異常量子ホール効果を起こす。すなわちホール伝導率は σ x y = ± 4 ( N + 1 / 2 ) e 2 / h {\displaystyle \sigma _{xy}=\pm {4\left(N+1/2\right)e^{2}}/h} である。ここで N {\displaystyle N} はランダウ準位のインデックスで、二つの谷とスピンの二重縮退により 4 {\displaystyle 4} の因子が生ずる。この特徴的な振る舞いは室温でも観測されうる。二重層グラフェンも量子ホール効果を示すが、二重層グラフェンで起こるのは正常量子ホール効果であり、 σ x y = ± 4 N e 2 / h {\displaystyle \sigma _{xy}=\pm {4Ne^{2}}/h} である。