二次元材料向けの紫外線で粘着力が低下するUVテープを開発し、グラフェンの転写に成功 NEDOら

新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）は2024年2月13日、九州大学および日東電工と共同で、二次元材料に特化した紫外線で粘着力が低下する機能性テープ（UVテープ）を開発し、グラフェンの転写に成功したと発表した。

グラフェンなどの二次元の原子シート（二次元材料）は、次世代のデバイス材料として昨今注目を集めている。

二次元材料は厚みが原子レベルの材料となっているため、使用する際には合成基板からシリコンやフレキシブル基板上に転写するプロセスが求められる。この際に、二次元材料の破れや保護膜の高分子による残渣が生じ、特性低下につながることが課題となっていた。

また、保護膜の除去に有機溶媒を要することや、転写がフレキシブル基板に使えないこと、転写に長時間を要すること、高度な転写技術が求められることなども課題となっている。

今回の研究では、紫外線を当てると粘着力が約10分の1となるUVテープを用いた。粘着力が強い状態でUVテープにグラフェンをキャッチし、紫外線で粘着力が弱まった状態でリリースして基板に移す手法を採用している。

今回開発したUVテープによるグラフェンの転写法

グラフェンに適したテープを効率的に開発すべく、人工知能（AI）を用いて研究開発を進めた。転写率は最高で99％に達している。さらに、同発表によると、既存の高分子転写と比較して欠陥や残渣が少なく、短時間での転写が可能だという。

(a) UVテープによる転写
(b) 高分子保護膜による従来の転写
(c) トランジスタのキャリア移動度の比較

また、今回開発したUVテープは、グラフェン以外に半導体の二次元材料である遷移金属ダイカルコゲナイド（TMD）や絶縁性の二次元材料である六方晶窒化ホウ素（hBN）にも転写できる。

転写した二硫化モリブデン（MoS₂）を用いてトランジスタを作製したところ、良好な動作が確認された。次世代半導体への応用が期待される。

二次元半導体（MoS₂）と絶縁体（hBN）のUVテープ転写
（a）MoS₂の三角形グレインと全面膜の転写後の顕微鏡写真
（b）転写した半導体MoS₂のトランジスタ特性
（c）テープを3枚用いて行ったグラフェンとhBNの多重積層の模式図
（d）実際の転写膜の写真

MoS₂をキャッチしたテープをはさみでカットし、小さなテープを貼り付けたい位置で転写し、最後に電極を取り付けることで、容易に多くのMoS₂デバイスを作製可能。方向が揃った二次元材料を用いることで、角度を変えながら積層することもできる。

MoS₂をキャッチしたUVテープをカットすることによるパターン転写

プラスチック製の眼鏡やフレキシブルなポリマー基板など、さまざまな素材および形状に転写可能。導電性を有するグラフェン電極で半導体のMoS₂を挟んだ構造も転写できる。

（a）マグカップに転写した単層グラフェン
（b）紙に転写したグラフェン
（c）プラスチック製の眼鏡に転写したMoS₂
（d）フレキシブルなプラスチック基板（PEN基板）に転写したグラフェンとMoS₂の積層

同共同研究チームはさらに、テラヘルツ波を用いたセンサーを作製した。UVテープで転写したグラフェンに電極を取り付け、この上にナイフと紙を入れた封筒を置き、テラヘルツ波を照射してグラフェンに生じる電圧を測定。ナイフや紙片が封筒の中に入っていることを確認している。

（a）プラスチック上の単層グラフェンのセンサー
（b）封筒に入れる前のナイフと紙片
（c）グラフェンを用いて検出した、封筒の中のナイフと紙片

空港でのセキュリティーなどでの応用が可能。さらに、熱センサーとして利用できることも確認している。

九州大学は今後、研究者に向けて今回開発した手法の普及を図る。二次元材料の研究活性化や新たな応用分野の開拓、ひいては新産業の創出につながることが期待される。

なお、現在はグラフェンへの転写が最大4インチ（直径100mm）となっている。今回の技術を用いてより大きなウエハレベルの二次元材料への転写が可能となることで、ポストシリコンデバイスやセンサーなどでの実用化が進むことが期待される。

二次元材料向けの紫外線で粘着力が低下するUVテープを開発し、グラフェンの転写に成功　NEDOら