| Project/Area Number |
23K23166
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| Project/Area Number (Other) |
22H01898 (2022-2023)
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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 (2022-2023) |
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| Section | 一般 |
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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 |
守谷 頼 東京大学, 生産技術研究所, 特任准教授 (30548657)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥17,940,000 (Direct Cost: ¥13,800,000、Indirect Cost: ¥4,140,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
Fiscal Year 2023: ¥5,460,000 (Direct Cost: ¥4,200,000、Indirect Cost: ¥1,260,000)
Fiscal Year 2022: ¥10,920,000 (Direct Cost: ¥8,400,000、Indirect Cost: ¥2,520,000)
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| Keywords | 遷移金属ダイカルコゲナイド / 二次元物質 / 共鳴トンネル |
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| Outline of Research at the Start |
本研究では数層のWSe2のサブバンド量子化準位を活用し2つの新しい創造を目指す。第一の創造は、二次元物質のもつ理想的なヘテロ界面技術と量子井戸光デバイスの融合である。TMDと絶縁体h-BNの多層膜を構築し、電流注入によるサブバンド間遷移型量子カスケードレーザーを最終目標とする。第二の創造は、2.5次元量子物性の開拓である。数層WSe2におけるサブバンド準位は、各層に波動関数が局在した特性を保ちつつ面直方向に波動関数が量子化する。この特異な波動関数から派生する新規量子物性の探索を行う。
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| Outline of Annual Research Achievements |
今年度は３層WSe2（ソース電極）/数層h-BNトンネルバリア/３層WSe2（ドレイン電極）トンネル接合を作製し、その特性がソース側とドレイン側３層WSe2の間のツイスト角度（２つの結晶の間の面内結晶軸のずれ）にどのように依存するかについて研究を行なった。我々がこれまでの研究の過程で確立してきた、独自の二次元材料の精密転写技術とパルスレーザーを用いた二次元材料の切断技術を駆使して、異なるツイスト角度（0, 15, 30, 41, 60度）の素子を作製することに成功した。様々なデバイスを評価した結果、我々はソース側からドレイン側へと流れるトンネル電流はツイスト角度に強く依存して変化することを発見した。この結果は異なるツイスト角度において、エネルギーと波数を保存した共鳴トンネル効果が起きている事を仮定すると説明できる事が分かった。共鳴トンネル効果が存在する場合、本デバイスではツイスト角度の変化によりソース側の電子がドレイン側のどのバンドに注入されるかが変化するはずである。この考察を元に結果を解析すると得られた実験結果は、ドレイン側3層WSe2のバンド構造の角度分散を考えたモデルと非常に良い一致を示した。この結果はツイスト角度制御と共鳴トンネル効果を組み合わせることで物質のバンド構造の精密測定が可能である事を示す初めての成果である。結果は学術論文としてPhys. Rev. Research誌に掲載された。
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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
本年度はサブバンド間光学遷移に起因する光電流の検出を当初の目的としたが、２年目に行なった様々な層数およびn型p型のWSe2を用いた共鳴トンネル素子において多くの予想外の発見があったため、研究活動の中心を数層WSe2間のサブバンド共鳴トンネリング現象の理解とその特性向上に変更し研究を行なった。
まず、n型WSe/h-BN/n型WSe2において２つのn型WSe2同士の結晶方位のズレ(ツイスト角度)を制御する事により共鳴トンネルのピーク形状が大きく変化することを見出し、学術論文として掲載された。
この研究の過程でいくつか新しい発見があった。これらは、1)多層MoS2/h-BN/多層MoS2において初めて負性微分抵抗が発現する機構を発見した。2)数層WSe2/h-BN/単層WSe2において負性微分抵抗のピーク・バレー比(デバイス応用上重要な指標)が非常に大きくなる事を発見した。3)単層WSe2/単層MX2(M:Mo or W, X =S or Se)ヘテロ二層系においてMとXの原子を変える事によりバンドの間隔が系統的に変化することを発見した。
これらは他のグループから発表がない新しい結果の可能性が高く、1)に関しては現在論文が査読中、他については現在論文を論文執筆中である。
これらの結果より、本研究は当初の計画以上に進展していると考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は２年目に得た多くの成果を学術論文として投稿することを中心に本来の研究計画に基づいて、サブバンド間光学遷移に起因する光電流の検出を目指して研究を行う。２年目までにすでに赤外光を照射しながら低温・磁場中で測定を行うことができる実験設備をすでに構築しているため、迅速に測定を進めることができると考えている。磁場や波長を変えながら測定することにより、サブバンド間光吸収が起こる波長で光電流が最大となる事を期待している。
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