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ICNら、多結晶グラフェン上での電荷輸送を予測するモデリング手法を開発

グラフェンwikiより。
ICNら、多結晶グラフェン上での電荷輸送を予測するモデリング手法を開発


 スペインのカタロニア・ナノテクノロジー研究所(ICN)らが多結晶グラフェンの電荷輸送の挙動を
コンピューターモデルを使用して予測する手法を開発したとのことです。
基本的にはグレインサイズが大きく欠陥の少ないグラフェンは導電性が高いと言えるそうです。
今後は高温の影響や無秩序化の追加的発生源、化学的官能基化といった要素を織り込むことによる
予測モデルの精緻化を計画しているとのこと。
官能基化の要素などが織り込まれるようになればシミュレーションで官能基化後の電荷輸送挙動なども
予測できるようになるのでしょうか。実データの積み上げが重要そうです。

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 スペインのカタロニア・ナノテクノロジー研究所(ICN)らが、コンピュータモデルを使って
多結晶グラフェン上での電荷輸送の動きを予測する手法を開発した。
2013年2月28日付けの Nano Letters に論文が掲載されている。


CVD成膜による大面積グラフェンのモデル。グレイン(青い領域)同士が接する粒界部(白い領域)には結晶欠陥が存在する (Source ICN)
CVD成膜による大面積グラフェンのモデル。グレイン(青い領域)同士が接する
粒界部(白い領域)には結晶欠陥が存在する (Source: ICN)

CVD成膜した大面積グラフェンでは、結晶の揃ったグレインがモザイク状に多数集まった多結晶構造が見られる。
グレインのサイズには数十nmから数μmまでと幅があり、CVDの品質が良い程そのサイズは大きくなる。
グレイン同士の境界である粒界では、炭素原子の結合が通常の六員環よりも多くなったり少なくなったりする
結晶欠陥が存在する。研究チームは今回、こうしたグレインや欠陥を有する大面積グラフェンシートの
コンピュータモデルを作成し、そこでの電荷移動度をグレイン・サイズおよび粒界構造の関数として
モデル化した。

 モデル化による予測では、より大きなグレイン・サイズはより高い電荷移動度との相関があることが示された。
基本的には、欠陥の少ないグラフェンは導電性が高いと言える。このスケーリング則は、
通常のグレイン・サイズ全体に当てはまる。また、グラフェンにおける無秩序散乱強度
(電荷移動度に対する構造欠陥の影響度)が、粒界の原子構造やグレイン間の波動関数の不整合に
依存することも示された。

 チームリーダーの Stephan Roche 教授は、今回の手法について「CVD成膜した実物のグラフェン試料の
電子的挙動を予測するのに使えるだけでなく、多結晶グラフェンにおける電荷輸送の内在的な限界を知る上でも
役立つ」と話す。こうした限界についての理解は、フレキシブルデバイス、タッチパネル、太陽電池などに
グラフェンを応用するための重要な知見となると考えられる。

 研究チームでは現在、高温の影響や、無秩序化の追加的発生源、化学的官能基化といったより複雑な要素を
織り込むことによる予測モデルの精緻化を計画しているという。
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http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl400321r
Scaling Properties of Charge Transport in Polycrystalline Graphene

Dinh Van Tuan †, Jani Kotakoski *§, Thibaud Louvet †, Frank Ortmann †, Jannik C. Meyer §, and Stephan Roche *†#

† Catalan Institute of Nanotechnology, CIN2 (ICN-CSIC) and Universitat Autónoma de
Barcelona, Campus UAB, 08193 Bellaterra, Spain
§ Department of Physics, University of Vienna, Boltzmanngasse 5, 1090 Wien,
Austria Department of Physics, University of Helsinki, P.O. Box 43,
00014 University of Helsinki, Finland
Ecole Normale Superieure de Lyon, 46, Allée d’Italie, 69007 Lyon, France
# ICREA, Institució Catalana de Recerca i Estudis Avançats, 08070 Barcelona, Spain
Nano Lett., Article ASAP
DOI: 10.1021/nl400321r
Publication Date (Web): February 28, 2013
Copyright © 2013 American Chemical Society

■Abstract
Polycrystalline graphene is a patchwork of coalescing graphene grains of varying lattice orientations and size, resulting from the chemical vapor deposition (CVD) growth at random nucleation sites on metallic substrates. The morphology of grain boundaries has become an important topic given its fundamental role in limiting the mobility of charge carriers in polycrystalline graphene, as compared to mechanically exfoliated samples. Here we report new insights to the current understanding of charge transport in polycrystalline geometries. We created realistic models of large CVD-grown graphene samples and then computed the corresponding charge carrier mobilities as a function of the average grain size and the coalescence quality between the grains. Our results reveal a remarkably simple scaling law for the mean free path and conductivity, correlated to atomic-scale charge density fluctuations along grain boundaries.
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