东北大学2016年10月12日宣布与东京大学等合作，制作出了使用三维纳米多孔石墨烯的电双层晶体管。石墨烯是由单层碳原子组成的二维片层，具有优秀的晶体管性能，但达到实用水平需要叠加几千张。此次通过使用多孔质三维石墨烯制作晶体管，电容量最多达到了二维石墨烯晶体管的1000倍。
为了最大限度利用三维纳米多孔石墨烯的表面积，研究人员以不破坏纳米多孔质结构为前提，制作经过超临界CO2干燥的纳米多孔石墨烯，作为了晶体管的传导路径（沟道）和作用（栅极）电极。然后使试样全部浸满由室温下稳定的阳离子和阴离子组成的液体（离子液体），制作出了在作用电极与沟道之间外加电场，沟道的电子浓度就会发生变化的电双层晶体管。
从三维纳米多孔石墨烯晶体管的行为中，研究人员观测到了利用狄拉克电子的场效应晶体管的特点，即电导率极小、传导载流子从电子型向空穴型反转的现象。这表明二维石墨烯片的特性得到了很好地保留。检测到的静电容量非常高，约是以往使用二维石墨烯片的平面结构元件的100～1000倍。这表明高度集成的石墨烯片可以作为一个整体，控制电子状态。
而且，通过结合三维纳米多孔质结构的特点进行理论推导，研究人员发现，在不同电子浓度状态下测定的磁阻效应与霍尔电阻均由1条曲线表示。这表示“封闭在曲面上的传导电子对于外加磁场的方向，具有许多不同的指向”，是三维纳米多孔石墨烯所特有的行为。表明本次开发的晶体管的电子移动度远远高于所需要的性能，即200cm2/Vs，达到了5000～7500cm2/Vs。
本次研究证实，使用三维纳米多孔石墨烯的晶体管通过利用纳米多孔质结构，可以通过电场，控制高度集成的大面积二维原子层的电子密度。在今后，使用石墨烯和二硫化钼、利用原子层的感光元件，以及高度集成的立体电路的实用化有望取得进展。与此同时，在使用石墨烯和其他原子层材料的“三维纳米多孔质结构”领域，也有望诞生出新的材料。
本次研究得到了日本科学技术振兴机构（JST）战略性创造研究推进事业CREST“实现能源高效率的相界面科学”研究领域、日本文部科学省新学术领域研究“原子层科学”、日本世界顶级国际研究中心计划（WPI）的支援。研究成果已刊登在德国科学杂志《Advanced Materials》的2016年10月11日网络版上。（特约撰稿人：工藤宗介）
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