フッ化グラフェンの電子物性と低消費電力デバイスへの応用

• Project/Area Number: 14J10949
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Electronic materials/Electric materials
• Research Institution: Tokyo Institute of Technology
• Principal Investigator: 田原 康佐 東京工業大学, 工学院, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2014-04-25 – 2017-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2016)
• Budget Amount: ¥3,070,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2016: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2015: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2014: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000)
• Keywords: グラフェン / スピン緩和 / スピンホール効果 / ダイヤモンド / NVセンタ / 磁気センサ / 磁気共鳴

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は、フッ化グラフェン中の電子スピン物性を明らかにし、スピントロニクスへ応用することである。黒鉛の単原子層であるグラフェンは、長いスピン拡散長を持つためスピン輸送チャネルとしての性能が期待できるが、グラフェンのみでは電子スピン偏極の生成は困難である。不純物でのresonant skew scatteringによるスピンホール効果を用いれば、グラフェンのみを用いてスピン流を生成・輸送・制御するスピントロニクスデバイスを実現できる可能性がある。
初年度にはフッ化グラフェンのスピンホール効果の検証実験を行った。非局所抵抗の測定からスピンホール効果の可能性を示唆するデータが得られたが、確実にこれを示すためには、より強力な証拠を得る必要があることがわかった。そのため、ダイヤモンド中の窒素-空孔中心（NVセンタ）を用いた磁気センサの研究に着手した。スピンホール効果によるスピン蓄積が作る磁場を、光学顕微鏡スケールの分解能で検出し、より強力な証拠を提示することを目的とした。これが実現すれば、今まで光や電荷により間接的に検出されてきたスピン蓄積という現象を、磁場により直接検出することになり、スピントロニクスの分野全体に貢献できる。
本年度は、昨年度までに構築したNVセンタの測定システムを用い、表面近傍の核スピン検出の実証実験を行った。NVセンタをダイヤモンド基板の表面付近に、高密度・高配向かつ長いスピン緩和時間を保った状態で作製し、それを用いて核スピンのLarmor歳差運動による局所的磁気ノイズを計測した。実際に異なる静磁場下において、ダイヤモンド基板表面のオイル中の水素原子核を検出した。これにより、ダイヤモンド表面における微小磁場が検出可能であることを実証した。この結果を発展させることで、将来的に当初の目的であったスピンホール効果によるスピン蓄積の検出につなげられると期待できる。

Research Progress Status

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Direct Nanoscale Sensing of the Internal Electric Field in Operating Semiconductor Devices Using a Single Electron Spins (2017)
  • Author(s): T. Iwasaki, W. Naruki, K. Tahara, T. Makino, H. Kato, M. Ogura, D.Takeuchi, S. Yamasaki, M. Hatano
  • Journal Title: ACS Nano Volume: 11 Issue: 2 Pages: 1238-1245
  • DOI: 10.1021/acsnano.6b04460
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Formation of perfectly aligned nitrogen-vacancy-center ensembles in chemical-vapor-deposition-grown diamond (111) (2017)
  • Author(s): Hayato Ozawa, Kosuke Tahara, Hitoshi Ishiwata, Mutsuko Hatano and Takayuki Iwasaki
  • Journal Title: Applied Physics Express Volume: 10 Issue: 4 Pages: 045501-045501
  • DOI: 10.7567/apex.10.045501
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Improvement of fluorescence intensity of nitrogen vacancy centers in self-formed diamond microstructures (2015)
  • Author(s): S. Furuyama, K. Tahara, T. Iwasaki, M. Shimizu, J. Yaita, M. Kondo, T. Kodera, and M. Hatano
  • Journal Title: Applied Physics Letters Volume: 107 Issue: 16 Pages: 163102-163102
  • DOI: 10.1063/1.4933103
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Quantifying selective alignment of ensemble nitrogen-vacancy centers in (111) diamond (2015)
  • Author(s): K. Tahara, H. Ozawa, T. Iwasaki, N. Mizuochi, M. Hatano
  • Journal Title: Applied Physics Letters Volume: 107 Issue: 19 Pages: 1-4
  • DOI: 10.1063/1.4935709
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Formation of highly aligned delta doped NV center diamond film for NMR application (2017)
  • Author(s): H. Ishiwata, K. Tahara, M. Nakajima, T. Iwasaki and M. Hatano
  • Organizer: Hasselt Diamond Workshop 2017
  • Place of Presentation: Hasselt, Belgium
  • Year and Date: 2017-03-08
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Prototype magnetometer with diamond NV centers for scalable applications (2016)
  • Author(s): Y. Hatano, K. Tahara, T. Iwasaki, S. Yasuda, S. Yamasaki, Y. Harada and M. Hatano
  • Organizer: 2016 MRS Fall Meeting
  • Place of Presentation: Boston, USA
  • Year and Date: 2016-11-28
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Control of Internal Stress of Selectively-Aligned NV Ensemble Diamond Film for Higher Contrast of Magnetic Resonance (2016)
  • Author(s): H. Ozawa, K. Tahara, H. Ishiwata, T. Iwasaki and M. Hatano
  • Organizer: 2016 MRS Fall Meeting
  • Place of Presentation: Boston, USA
  • Year and Date: 2016-11-28
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Growth of Highly Aligned Delta Doped NV Center Diamond Film (2016)
  • Author(s): H. Ishiwata, K. Tahara, H. Ozawa, T. Iwasaki and M. Hatano
  • Organizer: 2016 MRS Fall Meeting
  • Place of Presentation: Boston, USA
  • Year and Date: 2016-11-28
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Magnetometry using selectively-aligned and high-density NV center ensemble in CVD-grown (111) diamond (2016)
  • Author(s): K. Tahara, H. Ozawa, T. Iwasaki and M. Hatano
  • Organizer: 2016 Germany-Japan Workshop on Nanoscale Electron-Photon Interactions via Energy Dissipation and Fluctuation
  • Place of Presentation: Ulm, Germany
  • Year and Date: 2016-08-01
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Growth of highly aligned delta doped NV center diamond film (2016)
  • Author(s): H. Ishiwata, K. Tahara, H. Ozawa, T. Iwasaki and M. Hatano
  • Organizer: 2016 Germany-Japan Workshop on Nanoscale Electron-Photon Interactions via Energy Dissipation and Fluctuation
  • Place of Presentation: Ulm, Germany
  • Year and Date: 2016-08-01
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Growth Temperature Dependence of Nitrogen Doped Diamonds for Selectively Aligned NV ensemble (2016)
  • Author(s): H. Ozawa, K. Tahara, H. Ishiwata, T. Iwasaki and M. Hatano
  • Organizer: 2016 Germany-Japan Workshop on Nanoscale Electron-Photon Interactions via Energy Dissipation and Fluctuation
  • Place of Presentation: Ulm, Germany
  • Year and Date: 2016-08-01
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 高配向・高密度NVセンタアンサンブルを用いた交流磁場測定 (2016)
  • Author(s): 田原康佐, 小澤勇斗, 岩崎孝之, 波多野 睦子
  • Organizer: 第63回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: 東京都目黒区
  • Year and Date: 2016-03-19
• [Presentation] Enhanced AC magnetometry using selectively-aligned and high-density NV center ensemble in CVD-grown (111) diamond (2016)
  • Author(s): K. Tahara, H. Ozawa, T. Iwasaki and M. Hatano
  • Organizer: Hasselt Diamond Workshop 2016 SBDD XXI
  • Place of Presentation: Hasselt, Belgium
  • Year and Date: 2016-03-10
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Selectively-aligned high density NV center ensemble in (111): from CVD-growth to sensing application (2016)
  • Author(s): K. Tahara, H. Ozawa, H. Ishiwata, T. Iwasaki and M. Hatano
  • Organizer: 2016 E-MRS Fall Meeting
  • Place of Presentation: Warsaw, Poland
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Selective alignment of ensemble nitrogen-vacancy centres in CVD-grown (111) diamond (2015)
  • Author(s): K. Tahara, H. Ozawa, T. Iwasaki and M. Hatano
  • Organizer: International Conference on Diamond and Carbon Materials
  • Place of Presentation: Bad Homburg, Germany
  • Year and Date: 2015-09-10
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] フッ化グラフェン中のスピン緩和 (2014)
  • Author(s): 田原康佐，岩崎孝之，松谷晃宏，波多野睦子
  • Organizer: 第28回ダイヤモンドシンポジウム
  • Place of Presentation: 東京電機大学（東京都足立区）
  • Year and Date: 2014-11-20