シャープペンシル芯の破断面をグラファイト化処理することで、軸方向に配向したグラフェンエッジを簡便に作製でき、そこから高品位な電子ビームが得られることを示しました。グラフェンの尖った形状により、弱い電界で、また、極高真空環境を必要とせずに安定した放出電流が得られました。

　グラフェンやカーボンナノチューブなどを用いた尖った形状のナノ炭素材料は、高品位の電子ビームの発生源（電界放出電子源）としての応用が期待されています。しかし、そのために必要な、ナノ炭素材料の配向や配置の制御が困難なことから、実用的な電子源への応用はいまだ十分に開拓されていません。

　本研究では、市販のシャープペンシル芯が、適度にグラファイトフレーク（黒鉛粉）を含有しており、それらがもともと軸方向に配向している点に着目しました。シャープペンシル芯の破断面を、超高真空中での高温加熱により完全にグラファイト化し、適度な密度で破断面に対して垂直配向したグラフェンのエッジを露出させました。そこからの電界放出電子の分布を観察したところ、「ドラゴンフライパターン」と呼ばれる、グラフェンエッジからの電子放出に特徴的なパターンが観察されました。また、その放射電流のエネルギースペクトルから理論計算を行い、グラフェンの特徴的な電子状態が反映されていることが示されました。さらに、グラフェンの先鋭的な形状や化学的安定性を反映して、低い電界強度、また極高真空環境ではない比較的マイルドな条件下においても、安定して電子放出できることが分かりました。

　本研究結果は、ありふれた材料から簡便に、有用なナノ材料であるグラフェンエッジが得られること、またそれが高性能な電界電子放出材料として利用可能であることを示しました。このような材料は、次世代電子顕微鏡等の要素技術としての利用が期待されます。

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プレスリリース

研究代表者

365体育投注数理物質系
山田 洋一　教授

掲載論文

【題名】

Field Emission from Vertically Aligned Graphene Edges at the Apex of the Pencil Lead.
（シャープペンシル芯先端の垂直配向グラフェンエッジからの電界電子放出）

【掲載誌】

Scientific Reports

【DOI】

10.1038/s41598-025-11895-x

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