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Graphene/diamond heterojunction formation for high sensitive quantum measurement

Research Project

Project/Area Number 20K21136
Research Category

Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)

Allocation TypeMulti-year Fund
Review Section Medium-sized Section 28:Nano/micro science and related fields
Research InstitutionNational Institute of Advanced Industrial Science and Technology

Principal Investigator

YAMADA TAKATOSHI  国立研究開発法人産業技術総合研究所, 材料・化学領域, 研究グループ長 (30306500)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 増澤 智昭  静岡大学, 電子工学研究所, 講師 (40570289)
Project Period (FY) 2020-07-30 – 2022-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2021)
Budget Amount *help
¥6,370,000 (Direct Cost: ¥4,900,000、Indirect Cost: ¥1,470,000)
Fiscal Year 2021: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000)
Fiscal Year 2020: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000)
Keywordsグラフェン / ダイヤモンド / 量子計測 / NV中心 / 量子センサ
Outline of Research at the Start

グラフェン/ダイヤモンドヘテロ接合により、負に帯電したNV中心を安定化させ、生体分子やニューロン構造解析を実現する技術を開発する。n型ダイヤモンドのバルクでは、世界最長のコヒーレンス時間を有する負に帯電したNV中心を実現している。高感度量子計測には、このNV中心がダイヤモンド表面近傍で安定して存在することが重要であるが、その表面近傍には正にイオン化したドナーが存在するため、NV中心が安定に存在できない。原子1層の厚みのグラフェンをダイヤモンド上に形成し、グラフェン中の電子をダイヤモンドに共有することで、内部障壁を低減し、負に帯電したNV中心を安定化かつ長コヒーレント時間化する。

Outline of Final Research Achievements

In order to obtain stable negatively-charged NV center (NV-) at diamond surface, high-electron density graphene/diamond structure was proposed. The high-electron density graphene was fabricated by doping potassium to graphene by KOH wet process, and the graphene was transferred to diamond substrate with NV centers. Raman spectroscopy confirmed successful formation of the graphene/diamond structure. On graphene/diamond structure, stable emission from NV- center was confirmed both by confocal laser scanning microscopy and photoluminescence spectra. In contrast, NV centers on diamond without graphene were blinking, and no stable emission was observed. The results demonstrated that the graphene/diamond structure was effective to obtain stable NV- centers on the diamond.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究によってグラフェン/ダイヤモンド構造によるNV-の安定化を実証することができた。ダイヤモンドNV中心を用いた高感度量子計測ではNV-が表面に近いほど感度が劇的に向上することから、本研究成果は超高感度磁気センサなど新たな量子デバイスを可能にする鍵となる発見である。今後、生体分子やニューロン構造解析、脳や心臓の動的計測など新たな応用に重要な要素技術であり、ダイヤモンド磁気センサによる新学術領域開拓の意義がある。さらに、量子情報通信を通じたポスト5G対応やAI効率化による新薬開発、スマートグリッドによるエネルギー効率化などSDGsに資する応用の要素となる技術であり、社会的意義も大きい。

Report

(3 results)
  • 2021 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2020 Research-status Report
  • Research Products

    (6 results)

All 2022 2021

All Journal Article (2 results) (of which Peer Reviewed: 2 results,  Open Access: 1 results) Presentation (4 results)

  • [Journal Article] Diamond Radiation Detector with Built‐In Boron‐Doped Neutron Converter Layer2022

    • Author(s)
      Miyake Taku、Nakagawa Hisaya、Masuzawa Tomoaki、Yamada Takatoshi、Nakano Takayuki、Takagi Katsuyuki、Aoki Toru、Mimura Hidenori
    • Journal Title

      physica status solidi (a)

      Volume: 219 Issue: 3 Pages: 2270006-2270006

    • DOI

      10.1002/pssa.202270006

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Synthesis and characterization of potassium-doped multilayer graphene prepared by wet process using potassium hydroxide2021

    • Author(s)
      Masuzawa Tomoaki、Okigawa Yuki、Ogawa Shuichi、Takakuwa Yuji、Hatakeyama Kazuto、Yamada Takatoshi
    • Journal Title

      Nano Express

      Volume: 2 Issue: 3 Pages: 030004-030004

    • DOI

      10.1088/2632-959x/ac1454

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] グラフェン・オン・ダイヤモンドを用いた表面近傍のNVセンターの電荷状態 安定化2021

    • Author(s)
      春山盛善, 沖川侑揮, 加藤宙光, 牧野俊晴, 山田貴壽
    • Organizer
      第35回ダイヤモンドシンポジウム
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] 臭素添加によるグラフェン導電性制御2021

    • Author(s)
      増澤智昭, 沖川侑揮, 三宅拓, 中川央也, 青木徹, 三村秀典, 山田貴壽
    • Organizer
      第35回ダイヤモンドシンポジウム
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] カリウム添加多層グラフェンにおけるEBAC評価2021

    • Author(s)
      沖川侑揮, 中島秀朗, 岡崎俊也, 山田貴壽
    • Organizer
      第35回ダイヤモンドシンポジウム
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] 多結晶ダイヤモンド薄膜を用いた放射線測定2021

    • Author(s)
      三宅 拓、中川 央也、増澤 智昭、中野 貴之、青木 徹、三村 秀典
    • Organizer
      第81回応用物理学会秋季学術講演会
    • Related Report
      2020 Research-status Report

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Published: 2020-08-03   Modified: 2023-01-30  

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