遷移金属ダイカルコゲナイドを用いた遠赤外発光素子の実現
| Project/Area Number |
22KJ1104
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| Project/Area Number (Other) |
22J22105 (2022)
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| Research Category |
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
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| Allocation Type | Multi-year Fund (2023)
Single-year Grants (2022) |
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| Section | 国内 |
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| Review Section |
Basic Section 28020:Nanostructural physics-related
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
木下 圭 東京大学, 工学系研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2023-03-08 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥3,400,000 (Direct Cost: ¥3,400,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,200,000 (Direct Cost: ¥1,200,000)
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| Keywords | 遷移金属ダイカルコゲナイド / 量子井戸 / 共鳴トンネル / サブバンド / ツイスト / ファンデルワールスヘテロ構造 |
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| Outline of Research at the Start |
WSe2、MoS2を始めとする遷移金属ダイカルコゲナイド（TMD）は、原子が二次元的に配列して単層を作り、それらが弱いファンデルワールス（vdW）力によって積層する二次元層状物質として知られている。TMDは複数層になると、膜厚方向に量子閉じ込め効果が働き、量子井戸のように離散的なエネルギーバンド（サブバンド）を形成する。そこで本研究では、複数層TMDを用いたvdWヘテロ構造による量子井戸技術を構築し、電子デバイス・光デバイスの実現を目指している。
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| Outline of Annual Research Achievements |
複数層WSe2を量子井戸層として用い、ファンデルワールス（vdW）ヘテロ構造で二重量子井戸デバイスを実現した。一般的な二重量子井戸構造において量子井戸間に電圧を印加すると、キャリアがエネルギーと波数ベクトルを保存してトンネルする際に共鳴トンネル効果が起き、電流-電圧特性にピークが生じる。本研究のvdW二重量子井戸においても負性微分抵抗を伴う電流ピークが観測でき、得られたピーク対バレー電流比（PVR）は他のvdW構造による共鳴トンネルデバイスのPVRを大きく上回る値だった。以上は、複数層WSe2を用いたvdW量子井戸のデバイス応用化の展望を示す成果と言える。
また、vdWヘテロ構造による二重量子井戸デバイスでは、新たなデバイス設計パラメータとして、デバイスを構成する各層の結晶方位の角度ずれ（ツイスト角度）を考えることができる。そこで本研究では、2つの複数層WSe2量子井戸間のツイスト角度を様々な値に制御したデバイスを作製し、電流-電圧特性を比較した。すると、共鳴トンネルピークを生じさせる印加電圧の値は、ツイスト角度に依存して系統的に変化していた。ここでツイスト角度は、波数空間ではΓ点を中心とした回転角度に相当するため、共鳴トンネルの行先の波数がツイスト角度分の回転操作によって制御される。つまり、得られた共鳴トンネルのツイスト角度依存性は、複数層WSe2のエネルギーバンドの、回転方向に沿った分散を反映していることが示唆される。そこで、密度汎関数法を用いたバンド分散の計算値と実験値を比較してみると、両者はよく整合していることが分かった。以上のように本研究では、ツイスト角度を制御したvdW二重量子井戸における共鳴トンネルによって、量子井戸層の物質のバンド分散を実験的に明らかにすることに成功し、物性探索の場としてvdW二重量子井戸を活用できることを示した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本年度は、計画通り複数層WSe2を用いたvdW二重量子井戸デバイスを動作させることができ、これまでのvdWヘテロ構造における共鳴トンネルデバイスと比較して高い性能を持つということを示せた。さらに、本デバイスにおけるツイスト角度の自由度に着目することで、量子井戸層のバンド構造探索のデモンストレーションを行うこともできた。以上のように本年度は、当初の計画以上の研究成果を上げられた。
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| Strategy for Future Research Activity |
vdW二重量子井戸の、バンド構造探索の場としての側面に焦点を当てる。具体的には、単層WSe2をツイストさせて積層したツイスト2層WSe2の、バンド構造のツイスト角度依存性を調査する。以上のようにツイスト角度を設計パラメータとしたvdW二重量子井戸デバイスを作製し、量子井戸層のバンドのエネルギーに応じて出現する電流ピークを自在にコントロールできるようにすることは、電子・光デバイス応用を目指したvdW量子井戸技術の大きな進展につながると考えている。
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Report
(1 results)
Research Products
(4 results)
