2016 Fiscal Year Research-status Report
グラフェンのジグザグ六角形ナノピットと点欠陥の局所電子状態とグラフェンの物性制御
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15K05159
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
松井 朋裕 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 助教 (40466793)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
福山 寛 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 教授 (00181298)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | グラフェン / グラファイト / 走査トンネル顕微/分光法 / ジグザグ端状態 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題では、グラフェン上に欠陥を作成し、その局所的な電子状態を走査トンネル顕微/分光法(STM/S)を用いて明らかにしつつ、欠陥の特徴に応じた巨視的な電子状態の変化を電気伝導特性から調べることを目的とする。昨年度はグラファイトを高温下で水素プラズマに曝すことで、その表面にジグザグ端で囲まれた六角形のナノピットが作成できることを明らかにし、ゼロエネルギーに期待される局在状態（ジグザグ端状態）とランダウ準位の関係について、超低温、高磁場、超高真空環境下で動作するULT-STMを用いて明らかにした。
今年度は引き続き、水素プラズマによるエッチングの条件出しを進めると同時に、作成されたジグザグ端の原子構造について検証した。これまでの報告例と異なり、端近傍の局所状態密度には副格子のアンバランスに由来するギャップ構造が現れた。これは端が原子レベルでジグザグ構造に揃っていることを示唆している。
同時に、水素プラズマ処理したグラフェンの電気伝導特性を調べるための準備を進め、絶縁基板上に作成した多層グラフェンにおいても、水素プラズマによってナノピットを形状を制御して作成できる手応えを得た。また、ULT-STMを多機能の走査プローブ顕微鏡(MF-SPM)に交換した。MF-SPMではSTMに加えて、原子間力顕微鏡(AFM)、電気伝導度測定の機能を併せ持つため、STMを用いた局所状態密度と電気伝導度測定による巨視的電子状態を、同一の試料、同一環境下で測定できる。
これらの研究と平行して、カーボンナノチューブ(CNT)のランダムネットワークであるbuckypaperについて、その電気伝導度を測定し、2層CNTのbuckypaperで1次元電子系に対する朝永-Luttinger液体の特徴が現れることを明らかにした。これは、2層CNTではより理想的なCNT間の接合が得られるためであることが分かった。
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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
当初の計画では、初年度に (1)Arイオンスパッタによって点欠陥を導入したグラフェンの電気伝導度測定、(2)グラファイト上へのジグザグ六角形ナノピットの作成とそのSTM/S観測、次年度以降 (3)ジグザグナノリボンのSTM/S観測、(4)グラフェン上へのジグザグ六角形ナノピットの作成とその電気伝導度測定、を考えていた。
これまでの研究から、水素プラズマ処理の条件によって、作成されるナノピットの形状を円形から六角形まで制御できることが分かったので、(1)のようにArイオンで点欠陥を作成する必要性はなくなった。代わりに、水素プラズマによってナノピットの密度や形状を制御することで、(1)と(4)を包括した研究が可能となる。そのために本研究ではグラファイト表面に対する水素プラズマ処理の条件出しを進め、今年度はさらに多層グラフェンについても、ナノピットの端構造を不定形やジグザグ型に制御できることを確認した。
一方、昨年度行った磁場中でのジグザグ端状態の局所状態密度測定は(2)(3)にまたがるテーマであったが、端の原子スケールの構造は不明であった。そこで今年度は端の電子状態を詳細に検証し、水素プラズマ処理で得られた端が原子スケールで整ったジグザグ構造をしていることを確認した。これは今後にむけて非常に重要な知見である。
さらにSTM、AFM、電気伝導度測定を可能とするMF-SPMを、既存のULT-STM装置に組み込むことで、超低温、高磁場、超高真空環境下での水素プラズマ処理した試料の電気伝導特性と局所状態密度の測定が可能となった。ただし、ULT-STMは10年以上に渡って使用してきたもので、装置改良に際していくつかのエレクトロニクスの故障が顕在化した。そのため今年度は多くの時間をその修理に費やさざるを得なかったが、今年度中にそれも完了し、今後の研究に向けて準備は整った。
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度までに超低温、高磁場、超高真空という多重極限環境下でSTM、AFM、電気伝導度測定を行える多機能のSPM装置(MF-ULT-SPM)を立ち上げることができた。次年度は引き続き、この装置の低温での動作を確認すると同時に、水素プラズマ処理したグラファイトおよびグラフェン試料の局所電子状態と電気伝導特性の測定を進めていく。
水素プラズマによってジグザグ端で囲まれた六角形ナノピットが作成できた場合、六角形の辺内では強磁性的に、隣り合う辺間では反強磁性的にスピン偏極すると期待されている。また六角形ナノピットに挟まれた領域にはジグザグナノリボンが得られ、やはりリボンの両端で反強磁性的なスピン偏極が期待される。こうしたジグザグ六角形ナノピットやジグザグナノリボンのSTM/S測定を通して、スピン偏極の可能性を実験的に検証することが、今後の重要な研究テーマのひとつである。
一方、絶縁体であるSiO2基板上に作成したグラフェンに対して、形状や密度を制御してナノピットを作成し、その電気伝導度を測定する。端構造が不定形の円形ナノピットか、ジグザグ型の六角形ナノピットかによって、端での散乱機構が異なるため、電気伝導度に違いが現れることが期待される。また磁場中ではジグザグ端におけるスピン偏極が強磁性的に揃い、反強磁性的から強磁性的へのスイッチングが観測される期待がある。
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Research Products
(2 results)
