Exploring quantum transport in 2.5 dimensional material

• Project/Area Number: 23K23166
• Project/Area Number (Other): 22H01898 (2022-2023)
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund (2024); Single-year Grants (2022-2023)
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 28020:Nanostructural physics-related
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 守谷 頼 東京大学, 生産技術研究所, 特任准教授 (30548657)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥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)
• Keywords: 遷移金属ダイカルコゲナイド / 共鳴トンネル

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。

Outline of Annual Research Achievements

本年度は、数層遷移金属ダイカルコゲナイド(TMD)/トンネルバリア/数層TMDという二重量子井戸構造を作製し、作製した構造において共鳴トンネルを観測した。数層TMDがサ ブバンド量子化することを活用し、サブバンド量子化準位間の共鳴トンネルを実現した。TMDとしてWSe2をp型にドープした数層WSe2/h-BN/数層WSe2構造の作製に成功した。それぞれのp型WSe2へのオーミックコンタクトは高濃度p型ドープのp-MoS2を用いることで実現した。この素子構造において、２つのWSe2間に電圧を印加し、２つのWSe2の価電子帯のサブバンド同士の共鳴トンネル効果を実現した。共鳴トンネルの性能を示すピークバレー比として室温で７、低温で２１という大きな値を実現した。この値は、これまでに報告されている二次元物質を用いた共鳴トンネル構造と比較して最大の値である。次にn型のWSe2を用いたn型WSe2/h-BN/n型WSe2構造において伝導帯サブバンドの共鳴トンネルの実験も行った。n型WSe2へのオーミックコンタクトについてはグラフェンを用いた。伝導帯サブバンドにおいてもサブバンド準位間の共鳴トンネルを観測した。さらに、本デバイスにおいては２つのn型WSe2の間の相対角度に依存した共鳴トンネル効果を観測した。これはn型WSe2の伝導帯バンドの特異な分散関係を反映しているためと現在考えている。これらの2種類のデバイスの評価により、サブバンド共鳴トンネルデバイスの最適化を達成した。

Current Status of Research Progress

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

Reason

申請書に記載していた計画通り本年度は、数層TMD/トンネルバリア/数層TMDという二重量子井戸構造を作製し、p型WSe2/h-BN/p 型WSe2構造およびn型WS e2/h-BN/n型WSe2構造の両方においてサブバンド間共鳴トンネルの観測に成功した。さらに追加の成果として、p型WSe2/h-BN/p 型WSe2構造において共鳴トンネルのピークバレー比として室温で７、低温で２１という二次元物質を用いた共鳴トンネル構造では最大の値を達成した。これらの理由より当初の計画を上回る成果をあげていると考えている。

Strategy for Future Research Activity

今後はサブバンド間の遷移に伴う光吸収を実証するための光電流測定を目指して研究を行う。入射光の波長（長波長赤外光）がサブバンド間の遷移エネルギーと一致した時に、光電流の増大が確認できればサブバ ンド間光吸収の存在およびその吸収効率が特定できる。試料構造を最適化することにより、大きな光電流が得られればTMD材料を用いた初めてのサブバンド遷移型光検出器が実現できる。

Research Products

• [Journal Article] All-dry flip-over stacking of van der Waals junctions of 2D materials using polyvinyl chloride (2022)
  • Author(s): Onodera Momoko、Wakafuji Yusai、Hashimoto Taketo、Masubuchi Satoru、Moriya Rai、Zhang Yijin、Watanabe Kenji、Taniguchi Takashi、Machida Tomoki
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 12 Issue: 1 Pages: 21963-21963
  • DOI: 10.1038/s41598-022-26193-z
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Evaluation of polyvinyl chloride adhesion to 2D crystal flakes (2022)
  • Author(s): Wakafuji Yusai、Onodera Momoko、Masubuchi Satoru、Moriya Rai、Zhang Yijin、Watanabe Kenji、Taniguchi Takashi、Machida Tomoki
  • Journal Title: npj 2D Materials and Applications Volume: 6 Issue: 1 Pages: 44-44
  • DOI: 10.1038/s41699-022-00323-7
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Resonant Tunneling between Quantized Subbands in van der Waals Double Quantum Well Structure Based on Few-Layer WSe2 (2022)
  • Author(s): Kinoshita Kei、Moriya Rai、Okazaki Shota、Zhang Yijin、Masubuchi Satoru、Watanabe Kenji、Taniguchi Takashi、Sasagawa Takao、Machida Tomoki
  • Journal Title: Nano Letters Volume: 22 Issue: 12 Pages: 4640-4645
  • DOI: 10.1021/acs.nanolett.2c00396
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Defect-assisted tunneling spectroscopy of electronic band structure in twisted bilayer graphene/hexagonal boron nitride moire superlattices (2022)
  • Author(s): Seo Yuta、Masubuchi Satoru、Onodera Momoko、Moriya Rai、Zhang Yijin、Watanabe Kenji、Taniguchi Takashi、Machida Tomoki
  • Journal Title: Applied Physics Letters Volume: 120 Issue: 20 Pages: 203103-203103
  • DOI: 10.1063/5.0084996
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 共鳴トンネル効果を用いたツイスト2層WSe₂の価電子帯Γ点バンドの検出 (2023)
  • Author(s): 木下 圭,守谷 頼,岡崎 尚太,張 奕勁,増渕 覚,渡邊 賢司,谷口 尚,笹川 崇男,町田 友樹
  • Organizer: 第70回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Resonant tunneling between quantized subbands of few-layer WSe₂ in van der Waals double quantum well structures (2023)
  • Author(s): Kei Kinoshita
  • Organizer: The 11th International Workshop on 2D Materials
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Enhancement of photovoltaic response in Landau-quantized graphene using infrared optical cavity (2023)
  • Author(s): Sabin Park
  • Organizer: The 11th International Workshop on 2D Materials
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 国内 題目 Cavity-enhanced photo-thermoelectric effect in Landau-quantized graphene (2023)
  • Author(s): Sabin Park,Rai Moriya,Kenjiro Hayashi,Naoki Fushimi,Yijin Zhang,Satoru Masubuchi,Kenji Watanabe,Takashi Taniguchi,Daiyu Kondo,Shintaro Sato,Tomoki Machida
  • Organizer: 第70回応用物理学会春季学術講演会v
• [Presentation] グラフェン/C-doped h-BN接合における欠陥アシストトンネル過程 (2023)
  • Author(s): 瀬尾 優太,辻 悠基,木下 圭,小野寺 桃子,張 奕勁,増渕 覚,守谷 頼,渡邊 賢司,谷口 尚,町田 友樹
  • Organizer: 第70回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 折り畳みグラフェン/h-BN素子の作製と磁場反転接合の実現 (2023)
  • Author(s): 若藤 祐斉,守谷 頼,増渕 覚,張 奕勁,渡邊 賢司,谷口 尚,町田 友樹
  • Organizer: 第70回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 二次元強誘電体CuInP₂S₆における面直バルク光起電力効果 (2022)
  • Author(s): 張 奕勁,谷口 黎,増渕 覚,守谷 頼,渡邊 賢司,谷口 尚,笹川 崇男,町田 友樹
  • Organizer: 第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 4層WSe₂のサブバンド間共鳴トンネルにおけるツイスト角度依存性 (2022)
  • Author(s): 木下 圭,守谷 頼,岡崎 尚太,張 奕勁,増渕 覚,渡邊 賢司,谷口 尚,笹川 崇男,町田 友樹
  • Organizer: 第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] バルクp+-MoS₂/h-BN/バルクp⁺-MoS₂トンネル接合における負性微分抵抗の観測 (2022)
  • Author(s): 川崎 盛矢,木下 圭,守谷 頼,張 奕勁,増渕 覚,渡邊 賢司,谷口 尚,笹川 崇男,町田 友樹
  • Organizer: 第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] ツイスト二層WTe₂の対称性制御とレーザー角度分解光電子分光・SHG観測 (2022)
  • Author(s): 神谷 啓介,張 奕勁,山本 崇人,坂野 昌人,篠北 啓介,岡崎 尚太,増渕 覚,渡邊 賢司,谷口 尚,笹川 崇男,松田 一成,石坂 香子,町田 友樹
  • Organizer: 第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] Charge accumulation in bilayer graphene/WSe₂/monolayer graphene heterostructure (2022)
  • Author(s): Sabin Park,Rai Moriya,Yijin Zhang,Satoru Masubuchi,Kenji Watanabe,Takashi Taniguchi,Tomoki Machida
  • Organizer: 第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] Resonant tunneling between quantized subbands of few-layer WSe₂ in van der Waals double quantum well structures (2022)
  • Author(s): K. Kinoshita,R. Moriya,S. Okazaki,Y. Zhang,S. Masubuchi, K. Watanabe,T. Taniguchi,T. Sasagawa,T. Machida
  • Organizer: 35th International Conference on the Physics of Semiconductors
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] グラフェン/C-doped h-BN接合での欠陥アシストトンネル (2022)
  • Author(s): 瀬尾 優太,辻 悠基,小野寺 桃子,張 奕勁,増渕 覚,守谷 頼,渡邊 賢司,谷口 尚,町田 友樹
  • Organizer: 第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] グラフェン量子輸送特性を通したh-BN結晶評価 (2022)
  • Author(s): 小野寺 桃子,渡邊 賢司,諫山 都子,増渕 覚,守谷 頼,芳賀 太史,谷口 尚,斎藤 晋,町田 友樹
  • Organizer: 第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 粘着テープ自動剥離装置を用いたグラフェンメカニカル劈開条件の最適化 (2022)
  • Author(s): 若藤 祐斉,増渕 覚,神谷 啓介,小野寺 桃子,張 奕勁,守谷 頼,町田 友樹
  • Organizer: 第83回応用物理学会秋季学術講演会