Research Abstract
テラヘルツ波放射分光法を用いたグラフェン表面の分子吸着・脱離ダイナミクスのイメージング
Imaging molecular adsorption and desorption dynamics on graphene using terahertz emission spectroscopy
2014年8月13日 Scientific Reports 4 : 6046 doi: 10.1038/srep06046
原子レベルの薄さを持つ材料であるグラフェンの特性は、基板の欠陥やフォノンおよび周囲のガス分子など、外部環境の影響を極めて受けやすいことが知られている。従って、グラフェンを用いるデバイスの設計においては、このような外部環境からの影響を考慮に入れた性能評価を行う必要がある。しかし、今のところ周辺ガス分子などの外部摂動の密度や分布を、定量的かつ非破壊で簡便に測定する方法は確立されていない。今回我々は、グラフェン表面の吸着分子の分布をテラヘルツ波時間領域分光法およびイメージングを用いて、迅速に非接触かつ半定量的に可視化する方法を提案する。我々は、グラフェンをコートしたInPから放出されたテラヘルツ放射の波形が、雰囲気ガスの種類、レーザー照射時間およびUV光照射によって敏感に変化することを見いだした。このテラヘルツ波の波形変化は、吸着酸素によって誘起される局在電気双極子に起因する、InP表面空乏層のバンド構造変化によるものと説明できる。これらの結果は、グラフェン膜やグラフェンデバイス表面での気体分子の吸着・脱離過程をモニタリングするための局所プローブとして、放射テラヘルツ波が機能することを実証するものであり、局所的な化学反応を検出する新しい二次元センサーとして動作する可能性を示唆している。
佐野 佑樹1, 川山 巌1, M. Tabata2, K. A. Salek1, 村上 博成1, M. Wang3,4, R. Vajtai4, P. M. Ajayan4, 河野 淳一郎1,2,3,4,5 & 斗内 政吉1
- 大阪大学 レーザーエネルギー学研究センター
- ライス大学 ナノジャパンプログラム（米国）
- ライス大学 電気・コンピューター学科（米国）
- ライス大学 マテリアルサイエンス・ナノエンジニアリング学科（米国）
- ライス大学 物理・天文学科（米国）
Being an atomically thin material, graphene is known to be extremely susceptible to its environment, including defects and phonons in the substrate on which it is placed as well as gas molecules that surround it. Thus, any device design using graphene has to take into consideration all surrounding components, and device performance needs to be evaluated in terms of environmental influence. However, no methods have been established to date to readily measure the density and distribution of external perturbations in a quantitative and non-destructive manner. Here, we present a rapid and non-contact method for visualizing the distribution of molecular adsorbates on graphene semi-quantitatively using terahertz time-domain spectroscopy and imaging. We found that the waveform of terahertz bursts emitted from graphene-coated InP sensitively changes with the type of atmospheric gas, laser irradiation time, and ultraviolet light illumination. The terahertz waveform change is explained through band structure modifications in the InP surface depletion layer due to the presence of localized electric dipoles induced by adsorbed oxygen. These results demonstrate that terahertz emission serves as a local probe for monitoring adsorption and desorption processes on graphene films and devices, suggesting a novel two-dimensional sensor for detecting local chemical reactions.
