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　グラフェンによる３次元ナノ構造体は、機械特性、化学耐性、電気伝導性に優れた原子層グラフェンを３次元的に集積化し、実用性能を備えた新材料を創出するための基盤となる物質です。一方で、その基本単位である立体的なグラフェン曲面の電子状態や物性は原子層科学における未解明の研究領域です。今回、我々は、３次元ナノ多孔質グラフェンと呼ばれるグラフェン３次元ナノ構造体を対象として、この曲面グラフェン上のディラック電子状態の詳細を明らかにしました。
本物質は、５員環や７員環などのトポロジカル欠陥を含む２〜３層のランダム積層数層グラフェン曲面が、曲率半径100 nm程度のチューブ状骨格を形成し、それらが複数連結することにより３次元ネットワーク構造を形成します。ツイスト多層グラフェンでは、層間のツイスト角が5°よりも大きい場合、ディラック中性点近傍の各層の電子状態はほぼ独立に保たれることが知られていることから、本物質のディラック点近傍の電子状態はトポロジカル欠陥を含む単層グラフェン曲面の電子状態とみなされると予想されます。我々は、ナノ多孔質空間にイオン液体を導入した電気二重層トランジスタを作製し、ディラック中性点近傍において、グラフェン中の炭素原子が面内で逆向きに振動する E2g フォノンに由来するラマンGバンドのキャリア濃度依存性を調べました。その結果、ディラック点近傍におけるディラック電子とE2g フォノンの電子格子相互作用に由来するソフトニングを明瞭に観測し、さらに単層グラフェンにおけるGバンドの自己エネルギー補正式から見積もったフェルミ準位とキャパシタンス測定から見積もった各層平均のキャリア濃度が、単層グラフェンのディラック電子のフェルミ準位‐キャリア濃度関係式を満たすこと解明しました。この結果は、曲率半径100nm程度の立体曲面グラフェンにも、ツイスト積層構造に由来して、平面状のグラフェンと同様のディラック電子が存在することを示しています。さらに、トポロジカル欠陥によるディラック電子の散乱効果から予想されるトランスポートギャップについて、電気抵抗の温度依存性を調べた結果、ディラック点近傍においてトランスポートギャップの出現により電気抵抗の温度依存性がアレニウス型に変化することを観測しました。これらの結果は、ランダム積層グラフェン曲面からなる３次元ネットワーク上にディラック電子が出現する機構とその動力学の詳細を解明した初めての結果であり、曲面グラフェン物性の学理構築に貢献するとともに、３次元グラフェン電子デバイス創製の基盤を与えるものです。

共同研究者の皆様、東北大金研強磁場センターでの共同利用実験をサポートしていただいた皆様に感謝申し上げます。