Topological Transport in atomic-layer superlattices

• Project/Area Number: 23K21066
• Project/Area Number (Other): 21H01749 (2021-2023)
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund (2024); Single-year Grants (2021-2023)
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 28020:Nanostructural physics-related
• Research Institution: Tokyo Denki University
• Principal Investigator: 森山 悟士 東京電機大学, 工学部, 教授 (00415324)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥17,290,000 (Direct Cost: ¥13,300,000、Indirect Cost: ¥3,990,000); Fiscal Year 2024: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000); Fiscal Year 2023: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000); Fiscal Year 2022: ¥5,590,000 (Direct Cost: ¥4,300,000、Indirect Cost: ¥1,290,000); Fiscal Year 2021: ¥6,630,000 (Direct Cost: ¥5,100,000、Indirect Cost: ¥1,530,000)
• Keywords: グラフェン / 超格子 / 六方晶窒化ホウ素 / TMDC / ファンデルワールス積層技術 / 量子輸送 / トポロジカル物性 / バレーホール効果

Outline of Research at the Start

本研究は，グラフェンと六方晶窒化ホウ素の積層構造で形成されるモアレ超格子系をチャネルとしたデバイスを中心に，異種の機能を持つ原子層材料を積層化した電子素子を開発する。原子層材料を用いた量子情報処理システムやエレクトロニクスへの応用に関して，物理現象の解明から基本設計・デバイス化までの基盤技術を確立し，さらに超格子構造で発現する，バレーという量子自由度を操作する新しいエレクトロニクスへの展開，超伝導やトポロジカル物性を活かした量子機能の実現を目指す研究である。

Outline of Annual Research Achievements

本研究は，グラフェンと六方晶窒化ホウ素（hBN）の積層構造で形成されるモアレ超格子系をチャネルとしたデバイスを中心に，遷移金属カルコゲナイド（TMDC）薄膜など異種の機能を持つ原子層材料を、ファンデルワールス積層技術を用いて積層化した、原子層ヘテロ積層構造を有する電子素子を開発する。2023年度は、作製したグラフェン/hBNへテロ構造素子の電子輸送特性から、複数の素子において高い移動度を持つことを確認し、ファンデルワールス積層プロセスおよびデバイス作製プロセスを確立することができた。そして本素子における近赤外領域の光応答検出を試み、波長750 nmおよび1,550 nmの光検出に成功した。光応答特性から、pn接合を設計していないデバイスにおいてもゼロバイアス光電流が検出され、その生成メカニズムは光熱電効果が支配的であることを定性的に確認した。本実験で得られた知見は、今後検討していくグラフェン光検出デバイスの評価・構造最適化の基礎になるものである。またTMDC材料として、2次元半導体材料である六方晶型二テルル化モリブデン（2H-MoTe2）に対してグラファイトを電極材料として用いる原子層積層デバイスを作製し、グラファイト/TMDC積層におけるファンデルワールス積層プロセスの確立、そして作製した複数のデバイスに対する電気伝導特性評価から2H-MoTe2の膜厚が電子輸送に与える影響など、基礎的な知見を得ることができた。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

複数のグラフェン/hBN構造の素子作製とその電気伝導特性、光応答特性評価に成功した。また2次元半導体材料である六方晶型二テルル化モリブデン（2H-MoTe2）を用いた原子層積層積層構造の作製と電子輸送特性評価を進めることができており、おおむね順調に進展していると考えられる。

Strategy for Future Research Activity

グラフェン/hBN構造をベースとして、支持基板や積層構造を含めたデバイス構造を改良して光応答性の向上を検討する。また2次元半導体材料である、六方晶型二テルル化モリブデン（2H-MoTe2）を用いた原子層積層デバイスで得られた電子輸送特性の物性解明を進めるため、2次元材料として単斜晶型MoTe2や二硫化モリブデン（MoS2）で同様の構造を作製し動作比較を検証する。

Research Products

• [Journal Article] Photo-thermoelectric effect-driven detection of optical communication light in graphene/hBN heterostructures (2024)
  • Author(s): Iwasaki Takuya、Sato Yodai、Ogo Makoto、Oh Byunghun、Kozawa Daichi、Kitaura Ryo、Watanabe Kenji、Taniguchi Takashi、Moriyama Satoshi、Fujikata Junichi
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 63 Issue: 3 Pages: 030903-030903
  • DOI: 10.35848/1347-4065/ad2bd6
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Electron transport tuning of graphene by helium ion irradiation (2022)
  • Author(s): Nakaharai Shu、Iwasaki Takuya、Morita Yoshifumi、Moriyama Satoshi、Ogawa Shinichi
  • Journal Title: Nano Express Volume: 3 Issue: 2 Pages: 024002-024002
  • DOI: 10.1088/2632-959x/ac73ad
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Localization to delocalization probed by magnetotransport of hBN/graphene/hBN stacks in the ultra-clean regime (2021)
  • Author(s): Iwasaki Takuya、Moriyama Satoshi、Ahmad Nurul Fariha、Komatsu Katsuyoshi、Watanabe Kenji、Taniguchi Takashi、Wakayama Yutaka、Hashim Abdul Manaf、Morita Yoshifumi、Nakaharai Shu
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 11 Issue: 1 Pages: 18845-18845
  • DOI: 10.1038/s41598-021-98266-4
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] グラフェン材料を用いた量子デバイス開発の最新動向 (2023)
  • Author(s): 森山悟士
  • Organizer: 第１回ARIM量子・電子マテリアル領域セミナー「量子コンピュータの実現に向けて」
  • Invited
• [Presentation] 埋め込み型シリコンメタサーフェス上への単層グラフェンの作製と光学特性 (2023)
  • Author(s): 宮田孝太朗, Rongyang Xu, 岩崎拓哉, 佐藤遥大, 森山悟士, 渡邊賢司, 谷口尚, 藤方潤一, 高原淳一
  • Organizer: 日本光学会年次学術講演会 Optics & Photonics Japan 2023
• [Presentation] hBN/グラフェン/hBN による NIR～THz 光検出に向けた素子の評価 (2023)
  • Author(s): 佐藤遥大, 李 恒, 高橋典華, 森山悟士, 河野行雄, 渡邊賢司, 谷口 尚, 藤方潤一, 岩﨑拓哉
  • Organizer: 電気学会C部門 電子材料研究会
• [Presentation] グラフェンpn接合アンテナ構造による光検出素子の作製と評価 (2023)
  • Author(s): 佐藤遥大, 李 恒, 高橋典華, 森山悟士, 河野行雄, 渡邊賢司, 谷口 尚, 藤方潤一, 岩﨑拓哉
  • Organizer: 2023年第70回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 二層－二層グラフェン/hBN超格子素子のキャリア輸送特性 (2023)
  • Author(s): 岩﨑拓哉, 守田佳史, 中払 周, 若山 裕, 渡辺英一郎，津谷大樹，渡邊賢司, 谷口 尚, 森山悟士
  • Organizer: 2023年第70回応用物理学会春季学術講演会
  • Invited
• [Presentation] グラファイト/MoTe2/グラファイト積層構造の作製と電気伝導特性評価 (2022)
  • Author(s): 冨塚祐弥, Amir Zulkefli, 岩﨑拓哉, 渡辺英一郎, 津谷大樹, 若山 裕, 中払 周, 森山悟士
  • Organizer: 2022年第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] hBN/グラフェン超格子におけるバレーホール状態と超伝導 (2021)
  • Author(s): 森山 悟士
  • Organizer: SCTM2021，ワークショップ（5） 「超伝導物質、トポロジカル物質」
  • Invited
• [Presentation] Transport properties in folded bilayer-bilayer graphene/hexagonal boron nitride superlattices under high magnetic fields (2021)
  • Author(s): Takuya Iwasaki, Motoi Kimata, Yoshifumi Morita, Shu Nakaharai, Yutaka Wakayama, Eiichiro Watanabe, Daiju Tsuya, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, and Satoshi Moriyama
  • Organizer: SSDM 2021, 2021 International Conference on Solid State Devices and Materials