Observation of new kinds of quantum transport in high mobility graphene using BN

• Project Area: Science of Atomic Layer Systems
• Project/Area Number: 16H00899
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Chiba University
• Principal Investigator: 青木 伸之 千葉大学, 大学院工学研究院, 准教授 (60312930)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2018-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2017)
• Budget Amount: ¥7,280,000 (Direct Cost: ¥5,600,000、Indirect Cost: ¥1,680,000); Fiscal Year 2017: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000); Fiscal Year 2016: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000)
• Keywords: グラフェン / 六方晶窒化ホウ素 / 高移動度 / 伝導度ゆらぎ / 垂直電場印加 / 量子ポイントコンタクト / 窒化ホウ素 / 量子伝導現象 / 電場閉じ込め / 窒化ホウ素（BN） / 高移動度化 / 低温磁気伝導 / バンドギャップ形成 / バリスティック伝導 / BN

Outline of Annual Research Achievements

本研究では，グラフェンを六方晶窒化ホウ素（h-BN）で挟み込むことで高移動度化を実現し，そこで発現する新しい量子伝導現象を観測することを目的として研究を行った。その結果、低温での移動度がおよそ100000 cm2/Vsにまで達することができ，準バリスティック領域における伝導現象の議論が可能となった。この領域でも低磁場では量子伝導度ゆらぎが観測され，そのゆらぎの特徴について解析を進めた。グラフェンにおける伝導度ゆらぎの特徴として、ゲート電圧掃引に対するゆらぎと、印加磁場掃引に対するゆらぎの振幅が異なるといったエルゴード性の破れが指摘されてきたが、本研究で得られた準バリスティック系での伝導度ゆらぎにおいても同様の違いが観測され、これがグラフェンに普遍的な特徴であることが実証された。また、0.5Ｔ以上の磁場範囲においては明瞭なシュブニコフ-ド・ハース振動が観測され、その解析からh-BNを用いた試料における有効質量や緩和時間の議論を行った。
また，電界閉じ込め型の量子ポイントコンタクト（QPC）の実現をめざした。２層グラフェン（BLGr）を上下のh-BNで挟み込み， Si基板によるバックゲートと，スプリット型のトップゲートとの間に逆極性の電圧を印加することで，垂直電界印加によるトップゲート直下のBLGrの絶縁化を試みた。ゲート長が５μmのトップゲートを用いた場合，12Kにてトップゲートに-12.5 V，バックゲートに110 Vの印加によって1 MΩ以上の抵抗値の観測に成功し，垂直電場印加による絶縁化を実証した。しかし，ゲート長200nmのスプリットゲートを用いた場合は，どれも残念ながらQPC構造に起因した伝導現象が確認できなかった。原因としては，積層構造の作製の際に混入するバブルの存在によるゲート絶縁層の不均一性に起因すると考えられ，その問題の排除が今後の課題として挙げられる。

Research Progress Status

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] 成均館大学(韓国)
• [Int'l Joint Research] ニューヨーク州立大学バッファロー校/アリゾナ州立大学(米国)
• [Int'l Joint Research] 国立台湾大学/国立嘉儀大学/国立忠興大学(台湾)
• [Int'l Joint Research] リオグランデ連邦ドスル大学(ブラジル)
• [Int'l Joint Research] ニューヨーク州立大学バッファロー校/アリゾナ州立大学/ライス大学(米国)
• [Int'l Joint Research] 成均館大学(韓国)
• [Int'l Joint Research] 国立台湾大学/国立嘉儀大学/国立中興大学(台湾)
• [Journal Article] Hot carriers in CVD-grown graphene device with a top h-BN layer (2018)
  • Author(s): C. Chuang, M. Mineharu, N. Matsumoto, M. Matsunaga, C.-W. Liu, B.-Y. Wu, Gil-Ho Kim, L.-H. Lin, Y. Ochiai, K. Watanabe, T. Taniguchi, C.-T. Liang and N. Aoki
  • Journal Title: Journal of Nanomaterials Volume: 印刷中
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Large, non-saturating magnetoresistance in single layer chemical vapor deposition graphene with an h-BN capping layer (2018)
  • Author(s): Chiashain Chuang, C.-T. Liang, Gil-Ho Kim, R.E. Elmquist, Y. Yang, Y.P. Hsieh, Dinesh K. Patel, K. Watanabe, T. Taniguchi, and N. Aoki
  • Journal Title: Carbon Volume: 136 Pages: 211-216
  • DOI: 10.1016/j.carbon.2018.04.067
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Shubnikov-de Haas measurements on a high mobility monolayer graphene flake sandwiched between boron nitride sheets (2017)
  • Author(s): Naoki Matsumoto, Masaaki Mineharu, Masahiro Matsunaga,Chiashain Chuang, Yuichi Ochiai, Kenichi Oto, Gil-Ho Kim,Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, David K. Ferry, Carlo R. da Cunha and Nobuyuki Aoki
  • Journal Title: J. Phys.: Condens. Matter Volume: 29 Issue: 22 Pages: 225301-225301
  • DOI: 10.1088/1361-648x/aa6d36
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] 二硫化モリブデン電界効果トランジスタに対する電子線リソグラフィの影響 (2017)
  • Author(s): 松永正広，青木伸之
  • Journal Title: Jasco Report Volume: 59 Pages: 64-69
  • NAID: 40021261424
• [Journal Article] Detecting weak coupling in mesoscopic systems with a nonequilibrium Fano resonance (2016)
  • Author(s): S. Xiao, Y. Yoon, Y.-H. Lee, J. P. Bird, Y. Ochiai, N. Aoki, J. L. Reno, and J. Fransson
  • Journal Title: Phys. Rev. B Volume: 93 Issue: 16
  • DOI: 10.1103/physrevb.93.165435
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Conductance fluctuations in high mobility monolayer graphene: Nonergodicity, lack of determinism and chaotic behavior (2016)
  • Author(s): C. R. da Cunha, M. Mineharu, M. Matsunaga, N. Matsumoto, C. Chuang, Y. Ochiai, G.-H. Kim, K. Watanabe, T. Taniguchi, D. K. Ferry, and N. Aoki
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 6 Issue: 1
  • DOI: 10.1038/srep33118
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Thermally Assisted Nonvolatile Memory in Monolayer MoS2 Transistors (2016)
  • Author(s): G. He, H. Ramamoorthy, C.-P. Kwan, Y.-H. Lee, J. Nathawat, R. Somphonsane, M. Matsunaga, A. Higuchi, T. Yamanaka, N. Aoki, Y. Gong, X. Zhang, R. Vajtai, P. M. Ajayan, and J. P. Bird
  • Journal Title: Nano Letters Volume: 16 Issue: 10 Pages: 6445-6451
  • DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b02905
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Nanoscale-Barrier Formation Induced by Low-Dose Electron-Beam Exposure in Ultrathin MoS2 Transistors (2016)
  • Author(s): Masahiro Matsunaga, Ayaka Higuchi, Guanchen He, Tetsushi Yamada, Peter Kruger, Yuichi Ochiai, Yongji Gong, Robert Vajtai, Pulickel M. Ajayan, Jonathan P. Bird, and Nobuyuki Aoki
  • Journal Title: ACS Nano Volume: 10 Issue: 10 Pages: 9730-9737
  • DOI: 10.1021/acsnano.6b05952
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] Laser control of crystalline structure and electrical property of MoTe2 crystal for all TMDC electronics (2018)
  • Author(s): Kota Kamiya, Tomoki Yamanaka, Trever Shimokusu, Hidemitsu Ouchi, Kohei Sakanashi, Masahiro Matsunaga, Peter Kruger, Katsuhiko Miyamoto, Takashige Omatsu, Jonathan P. Bird and Nobuyuki Aoki
  • Organizer: The Second Symposium of Chiral Molecular Science and Technology in Chiba University ‘-Advanced Materials Science, Biology & Nanophotonics in Chiba-‘
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Control of electrical property of MoTe2 crystal by laser irradiation (2018)
  • Author(s): Nobuyuki Aoki
  • Organizer: The Workshop on Structured Light and its Applications
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] レーザー照射によるMoTe2-FETの特性制御 (2018)
  • Author(s): 神谷航太, 大内秀益, 坂梨昂平, 山中智貴, ゲエヌエ トーマス, クリューガー ピーター, ジョナサン P．バード, 青木伸之
  • Organizer: 第65回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 真空加熱還元処理された酸化グラフェンのFET特性評価 (2018)
  • Author(s): 石田拓也, 青木伸之, 仁科勇太
  • Organizer: 第65回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] MoTe2の2H半導体相に対する接触特性の走査ゲート顕微法を用いた評価 (2018)
  • Author(s): 坂梨昂平, 神谷航太, 大内秀益, 山中智貴, 宮本克彦, 尾松孝茂, ジョナサン P．バード, 青木伸之
  • Organizer: 第65回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] ２層グラフェンにおける量子ポイントコンタクト構造の形成 (2018)
  • Author(s): 松本直樹, 荒川友貴, 村瀬健太郎, 坂梨昂平, 渡邊賢司, 谷口尚, G-H. Kim, D.K.Ferry, J.P.Bird, 青木伸之
  • Organizer: 日本物理学会第73回年次大会
• [Presentation] Control of Electrical Properties of MoTe2-FET by Laser Irradiation and Device Application (2018)
  • Author(s): Nobuyuki Aoki
  • Organizer: SAINT Seminer in SKKU
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] グラフェンにおける量子閉じ込め現象に関する検討 (2017)
  • Author(s): 松本直樹, 峰晴正彰, 荒川友貴, 松永正広, 落合勇一, D.K.フェリー, J.P.バード, 渡邊賢司, 谷口尚, I.リー, G-H.キム, 青木伸之
  • Organizer: 日本物理学会第72回年次大会
  • Place of Presentation: 大阪大学豊中キャンパス
  • Year and Date: 2017-03-17
• [Presentation] 電子線リソグラフィによる単層MoS2への歪み導入 (2017)
  • Author(s): 松永正広, 樋口綾香, He Guanchen, 山田哲史, Kruger Peter, 落合勇一, Bird Jonathan P., 青木伸之
  • Organizer: 第64回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜
  • Year and Date: 2017-03-14
• [Presentation] Study of plant leaf-derived grapheme quantum dots through magnetic force microscopy (2017)
  • Author(s): Chiashain Chuang, Masahiro Matsunaga, Prathik Roy, Rini Ravindranath, Huan-Tsung Chang, Chi-Te Liang, Nobuyuki Aoki
  • Organizer: 第64回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜
  • Year and Date: 2017-03-14
• [Presentation] 2次元層状物質を用いた電界効果トランジスターの高温動作時に観測される巨大な電流ジャンプとメモリー効果 (2017)
  • Author(s): 山中智貴, 樋口綾香, 松永正広, 神谷航大, Guanchen He, Jonathan P. Bird, 青木伸之
  • Organizer: 第64回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜
  • Year and Date: 2017-03-14
• [Presentation] From 2H to 1T’Structural Transition of Multilayer MoTe2 Crystal by laser Irradiation (2017)
  • Author(s): Kota Kamiya, Tomoki Yamanaka, Masahiro Matsunaga, Ayaka Higuchi, Yuichi Ochiai, Michio Kida, Katsuhiko Miyamoto, Takashige Omatsu, and Nobuyuki Aoki
  • Organizer: The Second Symposium of Chiral Materials Science 2017
  • Place of Presentation: 東京大学本郷キャンパス
  • Year and Date: 2017-03-08
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Transaction of crystal structure and electrical property of MoTe2 crystal by laser irradiation (2017)
  • Author(s): Kota Kamiya, Tomoki Yamanaka, Masahiro Matsunaga, Ayaka Higuchi, Yuichi Ochiai, Michio Kida, Jonathan P Bird, Nobuyuki Aoki
  • Organizer: 第52回フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム
  • Place of Presentation: 東京大学
  • Year and Date: 2017-03-01
• [Presentation] 過熱還元された酸化グラフェンの電気伝導特性 (2017)
  • Author(s): 石田拓也, 仁科勇太, 青木伸之
  • Organizer: 第52回フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム
  • Place of Presentation: 東京大学本郷キャンパス
  • Year and Date: 2017-03-01
• [Presentation] Anomalous conductance fluctuations in high-mobility BN/graphene/BN heterojunctions (2017)
  • Author(s): M.Mineharu, N.Matsumoto, M.Matsunaga, Y.Ochiai, G.-H.Kim, K.Watanabe, T.Taniguchi, D.K.Ferry, J.P.Bird, N.Aoki
  • Organizer: EDISON20 (The 20th International Conference on Electron Dynamics in Semiconductors, Optoelectronics and Nanostructures)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Hot carriers in disordered grapheme with hexagonal-boron Nitride and multi-layer grapheme (2017)
  • Author(s): C. Chuang, M. Mineharu1, N. Matsumoto, M. Matsunaga, C.-W. Liu, B.-Y. Wu, G.-H. Kim, L.-H. Lin, Y. Ochiai, K. Watanabe, T. Taniguchi, Dinesh Kumar, C.-T. Liang, N. Aoki
  • Organizer: EDISON20 (The 20th International Conference on Electron Dynamics in Semiconductors, Optoelectronics and Nanostructures)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Transient Investigations of hot-carrier transport in BN-encapsulated grapheme FETs (2017)
  • Author(s): M. Zhao, J. Nathawat, C.-P. Kwan, H. Ramamoorthy, N. Matsumoto, M. Matsunaga, N. Aoki, Z. Jin, G.-H. Kim, K. Watanabe, T. Taniguchi, J. Han, J.P. Bird
  • Organizer: EDISON20 (The 20th International Conference on Electron Dynamics in Semiconductors, Optoelectronics and Nanostructures)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Structural and electrical control of multilayer MoTe2 crystal by laser irradiation (2017)
  • Author(s): T. Yamanaka, K. Kamiya, M. Matsunaga, A. Higuchi, Y. Ochiai, M. Kida, K. Miyamoto, T. Omatsu, J.P. Bird, N. Aoki
  • Organizer: EDISON20 (The 20th International Conference on Electron Dynamics in Semiconductors, Optoelectronics and Nanostructures)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 真空加熱還元処理された酸化グラフェンの物性評価 (2017)
  • Author(s): 石田拓也, 青木伸之, 仁科勇太
  • Organizer: 第78回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 二硫化モリブデン電界効果トランジスタの高温動作時に観測される電流ジャンプとメモリー効果に関する解析 (2017)
  • Author(s): 山中智貴, 樋口絢香, 松永正広, 神谷航大, Guanchen He, Jonathan Bird, 青木伸之
  • Organizer: 第78回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] レーザー照射によるMoTe2の構造相転移と電気伝導特性 (2017)
  • Author(s): 神谷航大, 松永正広, 山中智貴, 大内秀益, 木田理夫, 尾松孝茂, ジョナサン P. Bird, 青木伸之
  • Organizer: 第78回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] レーザー照射によるMoTe2の結晶構造と電子物性制御 (2017)
  • Author(s): 青木伸之
  • Organizer: 科研費新学術領域・第９回全体会議
• [Presentation] Thermal carriers in disorderedgrphene with hexagonal-Boron Nitride and multi-layer graphene (2017)
  • Author(s): Chuang Chiashain, Mineharu M., Matsunaga M., Liu C.-W., Wu B.-Y., Kim G.-H., Lin L.-H., Ochiai Y., Liang C.-T., Aoki N.
  • Organizer: 日本物理学会2017年秋季大会
• [Presentation] 2層グラフェンにおける電場による閉じ込め効果の発現 (2017)
  • Author(s): 松本直樹, 峰晴正彰, 荒川友貴, 松永正広, 渡邊賢司, 谷口尚, G-H. キム, D.K.フェリー, J.P.バード, 青木伸
  • Organizer: 日本物理学会2017年秋季大会
• [Presentation] Control of crystalline structure and FET property of MoTe2 by laser irradiation, OSJ-OSA Joint Symposia (2017)
  • Author(s): Kota Kamiya, Tomoki Yamanaka, Trever Shimokusu, Hidemasu Ouchi, Kohei Sakanashi, Masahiro Matsunaga, Peter Kruger, Katsuhiko Miyamoto, Takashige Omatsu, Jonathan P. Bird, and Nobuyuki Aoki
  • Organizer: Optics & Photonics Japan 2017
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Laser Control of Crystaline Structure and FET Property of MoTe2 (2017)
  • Author(s): N. Aoki , K. Kamiya, H. Ouchi, K. Sakanashi, T. Yamanaka, K. Ueno, P. Kruger, K. Miyamoto, T. Omatsu and J.P. Bird
  • Organizer: MNC 2017
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] MoS2トランジスタにおける電子線照射効果に関するSGM観察 (2016)
  • Author(s): 松永正広, 樋口絢香, Guanchen He, Jonathan P. Bird, 落合勇一, 青木伸之
  • Organizer: 日本物理学会2016年秋季大会
  • Place of Presentation: 金沢大学
  • Year and Date: 2016-09-13
• [Presentation] 高移動度グラフェンにおける伝導度ゆらぎ (2016)
  • Author(s): 松本直樹, 峰晴正彰, 松永正広, C R da Cunha, 落合勇一, D Kフェリー, JPバード, 渡邊賢司, 谷口尚, Iリー, G-Hキム, 青木伸之
  • Organizer: 日本物理学会2016年秋季大会
  • Place of Presentation: 金沢大学
  • Year and Date: 2016-09-13
• [Presentation] Temperature-induced carrier redistribution in a CVD-grown grapheme wide constriction (2016)
  • Author(s): Chiashain Chuang, Che-Hsiu Hsueh, Tak-Pong Woo, Makoto Tsubota, Wenchin Wu, Yuichi Ochiai, Chi-Te Liang, Nobuyuki Aoki
  • Organizer: 日本物理学会2016年秋季大会
  • Place of Presentation: 金沢大学
  • Year and Date: 2016-09-13
• [Presentation] Current jump and memory effect in MoS2 transistor operated at high temperature (2016)
  • Author(s): Tomoki Yamanaka, Masahiro Matsunaga, Ayaka Higuchi, Yuichi Ochiai, Guanchen He, Jonathan P. Bird, Nobuyuki Aoki:
  • Organizer: 第51回フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム
  • Place of Presentation: 札幌
  • Year and Date: 2016-09-07
• [Presentation] Electron beam lithography induced strain in MoS2 crystaldai (2016)
  • Author(s): 松永正広, 樋口絢香, He Guanchen, 山田哲史, Kruger Peter, Bird Jonathan, 落合勇一, 青木伸之
  • Organizer: 第51回フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム
  • Place of Presentation: 札幌
  • Year and Date: 2016-09-07
• [Presentation] Imaging coherent transport in chemical vapor deposition graphene wide constriction using scanning gate microscopy (2016)
  • Author(s): Chiashain Chuang, Tak-Pong Woo, Fan-Hung Liu, Masahiro Matsunaga, Yuichi Ochiai, Chi-Te Liang and Nobuyuki Aoki
  • Organizer: 33rd International Conference on the Physics of Semiconductor (ICPS 2016)
  • Place of Presentation: Beijin, China
  • Year and Date: 2016-07-31
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Anomalous Conductance Fluctuations in Bilayer Graphene in h-BN layers (2016)
  • Author(s): Masaaki Mineharu, Masahiro Matsunaga, Yuichi Ochiai, Inyeal Lee, Gil-Ho Kim, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, David K Ferry, Jonathan P. Bird and Nobuyuki Aoki
  • Organizer: Compund Semiconductor Week (CSW2016)
  • Place of Presentation: Toyama
  • Year and Date: 2016-06-26
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Shubnikov-de Haas oscillations observed in High-Mobility Monolayer Graphene Encapsulated by h-BN (2016)
  • Author(s): Masaaki Mineharu, Masahiro Matsunaga, Naoki Matsumoto, Caelo da Cunha, Chiashain Chuang, Yuichi Ochiai, Inyeal Lee, Gil-Ho Kim, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, David K. Ferry, Jonathan P. Bird and Nobuyuki Aoki
  • Organizer: Compund Semiconductor Week (CSW2016)
  • Place of Presentation: Toyama
  • Year and Date: 2016-06-26
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Thermal current-induced charge redistribution in wide CVD-grown grapheme constriction (2016)
  • Author(s): Chiashain Chuang, Tak-Pong Woo, Fan-Hung Liu, Masahiro Matsunaga, Yuichi Ochiai, Chi-Te Liang and Nobuyuki Aoki
  • Organizer: Compund Semiconductor Week (CSW2016)
  • Place of Presentation: Toyama
  • Year and Date: 2016-06-26
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Imaging local transport property within MoS2 transistors by scanning gate microscopy (2016)
  • Author(s): Masahiro Matsunaga, Ayaka Higuchi, Guanchen He, Jonathan P. Bird, Yuichi Ochiai and Nobuyuki Aoki
  • Organizer: Compund Semiconductor Week (CSW2016)
  • Place of Presentation: Toyama
  • Year and Date: 2016-06-26
  • Int'l Joint Research
• [Book] 落合勇一，関根智幸，青木伸之/共訳 （David K. Ferry著） (2016)
  • Author(s): 詳説 半導体物性
  • Total Pages: 229
  • Publisher: コロナ社
• [Remarks] 千葉大学大学院先進理化学専攻物質科学コース・量子ナノデバイス研究グループ（青木研究室）
  • URL: http://adv.chiba-u.jp/nano/qnd/index.html
• [Remarks] 量子ナノデバイス研究グループ（青木研究室）
  • URL: http://adv.chiba-u.jp/nano/qnd/index.html