モアレ超格子によるスピン・バレー利用型量子素子の開発と物性制御
| Project/Area Number |
23K20962
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| Project/Area Number (Other) |
21H01400 (2021-2023)
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Multi-year Fund (2024)
Single-year Grants (2021-2023) |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 21060:Electron device and electronic equipment-related
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| Research Institution | National Institute for Materials Science |
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Principal Investigator |
岩崎 拓哉 国立研究開発法人物質・材料研究機構, ナノアーキテクトニクス材料研究センター, 独立研究者 (50814274)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
早川 竜馬 国立研究開発法人物質・材料研究機構, ナノアーキテクトニクス材料研究センター, 主幹研究員 (90469768)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥18,200,000 (Direct Cost: ¥14,000,000、Indirect Cost: ¥4,200,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
Fiscal Year 2021: ¥13,520,000 (Direct Cost: ¥10,400,000、Indirect Cost: ¥3,120,000)
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| Keywords | グラフェン / 六方晶窒化ホウ素 / モアレ超格子 / 量子ドット / 単一電子輸送 / 量子ホール効果 |
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| Outline of Research at the Start |
二層グラフェンおよび六方晶窒化ホウ素（hBN）との積層によるモアレ超格子を基に、量子ポイントコンタクト、量子ドット型ゲート電極を有するデバイスを作製し、コンダクタンスの量子化やクーロンブロッケード特性、二重量子ドットにおける少数電子状態の観測を目標に研究を進める。昨年度、二層グラフェン/hBN積層ヘテロ構造のデュアルゲート型デバイスにおいてバンドギャップおよびバレー流の制御を実証した。また量子ポイントコンタクト、量子ドット構造素子の作製プロセスの最適化を進めた。今後は微細構造素子の低温電子輸送測定を行い、コンダクタンス量子化や電子閉じ込めの観測を目指す。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題は、スピンおよびバレー自由度を利用する新奇原理で動作する素子の開発を目的とする。これを実現するために、二層グラフェン/六方晶窒化ホウ素（hBN）モアレ超格子を基礎とした、量子ドット複合構造デバイスの設計・作製に取り組んでいる。
2022年度は二層グラフェン/hBNモアレ超格子を基礎とするデュアルゲート型デバイスの作製プロセスの最適化および作製したデバイスの低温電子輸送測定を行った。電子輸送測定では、デュアルゲートにより二層グラフェンのキャリア密度と垂直電場を独立に制御し、二層グラフェン/hBNモアレ超格子の電荷中性点におけるエネルギーギャップの制御に成功した。これにより、モアレ超格子とゲート定義型微細構造を組み合わせたデバイスの設計指針を得た。ゲート定義型量子ドットデバイスを作製するためのプロセス最適化を進めている。トップゲート-チャネル（エッジ）間の絶縁膜を作製するために、原子層堆積法によるAl2O3を検討し、作製プロセスを確立した。また、量子ポイントコンタクト、スプリットゲートとプランジャーゲートを組み合わせた多重量子ドット構造デバイスを試作した。
二層グラフェン/hBNモアレ超格子デバイスにおいて、垂直磁場、電場を調整することで、量子ホール絶縁状態の相転移を観測することにも成功した。今回は電荷中性点を中心に輸送特性を調べたが、サテライト点やvan Hove特異点周辺のエネルギー領域の垂直磁場、電場、温度依存性等の輸送特性評価も進めている。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
高品質なグラファイトバックゲートおよびデュアルゲート型二層グラフェン/hBNモアレ超格子デバイスの作製およびエネルギーギャップ制御に成功した。トップゲート用絶縁膜、量子ドット型ゲート電極の作製プロセスの最適化も進んでいる。無冷媒冷凍機の導入も完了しており、おおむね順調に進展している。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでに確立したプロセスにより、hBN/二層グラフェン/hBN構造を基礎とするゲート定義型量子ドットデバイスを作製し、低温電子輸送測定を進める。ゲート電極に関して、電磁界シミュレーション等でリード-ドット間やドット間結合強度を精密に調整可能な単一、二重量子ドット構造を検討し、電流ピンチオフおよび少数電子状態の観測を目指す。二重量子ドットデバイスにおいては、ドット内の電子数を精密に制御し、パウリブロッケード効果の観測を目指す。
二層グラフェン/hBN積層構造はモアレ超格子を形成するが、実際のデバイスではhBN/二層グラフェン/hBN構造となっており、上下のhBNの積層角度がバンド構造変化において重要となることが予測されている。今後は上下のhBNと二層グラフェンの相対積層角度を調整したデバイスの作製および電子輸送測定を検討する。また、エッジコンタクト電極はデバイス作製や低温測定の温調サイクルに対して安定性に欠けたため、表面コンタクト等、安定性のある電極構造を検討する。
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Report
(2 results)
Research Products
(9 results)
