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グラフェン, 酸化グラフェン(GOs) / Graphenes, Graphene Oxides (GOs)

 グラフェンはナノカーボン材料に分類される2次元シート状の物質であり,sp2炭素による六員環で敷き詰められた構造をしています。グラフェン同士がファンデルワールス力で結合したものがグラファイトであるため,グラフェンの存在は古くから知られていました。しかしながら,グラファイトから1枚のグラフェンシートを綺麗に取り出す方法が確立していなかったため,近年までその詳細な物性は明らかにされていませんでした。2004年,ガイム,ノボセロフらは,高配向性の無水グラファイト(Highly Oriented Pyrolytic Graphite, HOPG)の表面を粘着テープで剥離し,剥離したものを基板の上に貼り付けるという単純な方法でグラフェンの薄片を取り出すことに成功しました。この報告以降1),グラフェンの電子物性,機械的物性,化学的性質に驚異的な特徴があることが判明し,世界中でグラフェンの研究が盛んに行われています。ガイム,ノボセロフはグラフェンの研究功績により,2010年にノーベル物理学賞を受賞しています。
 グラフェンの最も注目すべき点は,その電気的性質にあると言えます。グラフェン中の電子の移動度はシリコンの100倍で2),非常に高速・低消費電力のトランジスタが実現できると示唆され,グラフェンはLSI(大規模集積回路)の次世代チャネル材料として期待されています。さらに,グラフェンは鉄の100倍の強度を持ち,銅をはるかに凌駕する電流密度耐性を持っており,大電流を流せる電気配線にも利用できると考えられます3)。 グラフェン内の電子は,ニュートリノと同じく質量がないディラックフェルミ粒子として振る舞い4),室温でも量子ホール効果を示すなど物理的に興味深い性質があります5)。また,グラフェンはスピン軌道相互作用が小さく,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ます。磁石の機能をもつ材料(強磁性体)と融合することで,電子のスピンを利用した新しい情報処理素子(スピントロニクス素子)の研究開発も盛んになっています6)
 グラフェンの作製方法はHOPGからの剥離の他,CVDなどの気相法7)や酸化グラフェン(GO)の還元8)による方法も研究されています。GOは様々な合成法があり,その酸化度によって性能や用途が異なります。GOは一般的にグラフェンシートに水酸基,エポキシ基,カルボキシル基を持った構造をとっており,水やいくつかの極性溶媒に対する分散性を示します。したがって,GOは塗布によって基板上に成膜することが可能です。GO を還元することでグラフェンに近い状態まで還元することは可能ですが,完全には還元することはできず,わずかな酸素と欠陥を持つ還元された酸化グラフェン(rGO)になります。GOにはsp3炭素が含まれるため絶縁体の性質を示しますが,rGOは伝導性を持つことが知られており,電極材料への用途が期待されています。GOの水分散液は,金属の摩擦を低減する潤滑剤としての報告例があります9)。GOは金属を担持することができ,これを触媒とするクロスカップリング反応や水素化反応などの報告例もあります10,11)。また,GOには酸素官能基があるため,化学的に官能基を新たに導入することができ,発光材料やバイオセンサーなどの研究も行われています12,13)

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