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グラフェンは高導電性、高強度、高熱伝導度、高化学安定性などの特長を持ち、透明導電膜の代替や トランジスタのチャネルなどへの応用が期待されております。分光エリプソメーターはこのような 非常に薄いグラフェンの膜厚と膜質を非破壊・非接触で測定することができ、研究開発を行う上で非常に役立ちます。
分光エリプソメトリーは、入射光と反射光の偏光状態の変化を波長ごとに計測し、得られた測定データをもとに光学モデルを作成、フィッティング計算をすることにより薄膜の膜厚および光学定数(屈折率n、消衰係数k)を非破壊、非接触で求める分析手法です。この手法を行う装置を分光エリプソメーターといいます。
グラファイトからメンディングテープでカーボン層を剥離し、SiO2上に転写する方法で作製したグラフェンフレークを分光エリプソメーターで測定し、各層の膜厚と n&k を求めました。またクロスチェックとして、同一サンプルを顕微ラマン分光によりマッピング測定をしました。
図2に光学モデル、およびフィッティング計算によって得られた膜厚を示します。2層目のSiO2とVoidが混ざった層(界面層)は SiO2 膜の表面ラフネスです。グラフェンフレークは固く、その上に乗 っているだけの状態になり、 SiO2の表面ラフネス(界面層)が残っていることを表しています。
消衰係数(k)を見ると長波長側に向かって大きくなっております(図4)。 これは自由電子による吸収であり、導電性が大きいことが分かります。 顕微ラマンマッピング測定の結果より、面内の大部分は単層グラフェン(モノレイヤー)で、 1部が多層グラフェン(バイレイヤー)になっていることが分かり ました(図5)。 モノレイヤーの厚みは 3.5Å、分光エリプソメーターで求めた膜厚は 4.7Åであり、 分光エリプソメーターのスポット径が数 mm の大きさであることを考えると、分光エリプソメーターで得られた膜厚は、 ラマンマッピング測定の結果と一致していると言えます。
分光エリプソメーターを用いることで、グラフェンフレークの膜厚やn&kを非破壊・非接触で評価することが可能です。