2016 Fiscal Year Research-status Report
金属を表面吸着させたグラフェンなどの原子層薄膜の電気特性の解明と電子デバイス応用
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16K06279
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| Research Institution | Osaka Institute of Technology |
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Principal Investigator |
藤元 章 大阪工業大学, 工学部, 准教授 (90388348)
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2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | グラフェン / 磁気抵抗 / 弱局在効果 / ラマン散乱 / アルカリ金属 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
グラフェンにおけるチタンクリーニングとは，電子ビーム蒸着により 2 nmのTiをグラフェン表面に付け，そのTiを空気中で酸化させた後，フッ酸でTiOxを除去するプロセスである。これにより，CVDグラフェンの移動度を増加させ，電荷中性点を低ゲート電圧側にシフトさせることができる。また，ゲート電圧を変えたとき，絶縁膜をはさんだ2層のグラフェンのDirac点が一致すると，共鳴的にトンネル電流が増加する対称トンネリング電界効果トランジスタが提案されている。このデバイスが動作するための条件の1つとして，非弾性散乱長が100nm以下であることが必要であるという提案がある。平成28年度は0.3Kから40Kまでの温度領域において，チタンクリーニングを行った単層グラフェンの磁気抵抗を測定した。電荷中性点付近では，磁場の増加とともに，磁気抵抗が下がってから上がる振る舞いを示すが，電荷中性点から離れたところでは抵抗が下がってほぼ一定になる。McCannらの理論式を用いたフィッティング解析を行うことにより，非弾性散乱長の温度依存性から，電荷中性点付近ではNyquist散乱が支配的で，ゲート電圧が十分に大きくなると，電子-電子散乱が支配的になることが分かった。
2層グラフェンの層間に，カルシウムなどのアルカリ金属を挿入することにより，低温で超伝導が観測されている。グラフェン上でアルカリハライド結晶のKClを融解させた試料のラマンスペクトルを調べた。KClを吸着させたグラフェンでもDピークとGピークのラマンスペクトルも確認することができた。さらに，Dピークの散乱強度がGピークと同様に増加した。グラフェンの炭素原子が六角形に結合した真ん中に，グラフェンよりも原子半径の大きいKやClが挿入され，炭素原子が押し広げられることにより，グラフェンに引っ張り歪みが発生している可能性がある。
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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
グラフェンにおける弱局在効果の研究について，チタンクリーニングを行った試料について進め，研究実績の概要で上述した通り，研究内容を纏めることができている。さらに，弱局在効果による磁気抵抗から算出した谷間散乱長と伝導度ゆらぎ(UCF)の関係を調べ，UCFが極小のとき谷間散乱長が極大となり，さらにAB効果を表す特徴的な長さと谷間散乱長の極小値が同程度であることが分かり，その結果をPBRで発表した。したがって，科研費の応募書類内で書いた課題1の「チタンクリーニングを行った単層グラフェンとSymFETの弱局在効果」については，十分に研究を進捗させることができたと言える。
アルカリハライドであるKClを吸着させたグラフェンの研究も着手し，ラマン散乱測定による物性評価を平成28年度に行うことができた。ただし，この系を用いたグラフェンのトランジスタ作製を苦労しているため，電気測定の結果を得ることができていない。また，MoS2の原子層薄膜の試料作製を始めることができたが，まだラマンスペクトルを得ることができない。下記の「今後の研究の推進方策」で述べているように，高品質のMoS2の薄膜が作製できるように実験を進めていく。科研費の応募書類内で書いた課題2の「アルカリ金属を吸着させた原子層薄膜の電気特性と超伝導」については，すでに研究を着手しており，成果が得られるように引き続き研究を行う。
本研究課題名の「金属を表面吸着させたグラフェンなどの原子層薄膜の電気特性の解明と電子デバイス応用」の表面吸着と電子デバイス応用をキーワードとして，化学的な熱分解法により作製した酸化インジウムナノ粒子をグラフェン表面にスピンコートしたデバイスの作製を試みている。ナノ粒子を用いて表面積を増やすことにより，ガスセンサーなどの応用デバイスへの展開を目指す。この点に関しても研究を進展させることができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
グラフェン上でNaClやKClなどのアルカリハライド結晶を融解させてアニールする。これにより，原子層薄膜の表面にアルカリ金属を吸着させ，もしくはアルカリ金属をドーピングすることが可能であると考えられる。アルカリ金属が吸着やドーピングされたグラフェンの電気特性・超伝導特性を調べ，半導体-超伝導転移を観測する。またラマン散乱測定を並行して行うことにより，グラフェンの結晶性やアルカリ金属の吸着やドーピング効果を評価することができる。2層グラフェンにおけるアルカリ金属をインターカーレーションした系での角度分解光電子分光(ARPES)の結果，伝導帯内に形成されたインターレイヤーバンドの存在が，超伝導の出現に関与していると考えられている。電気特性の解析結果から，このようなグラフェン超伝導の物性も明らかにしたい。
ファンデルワールスヘテロ接合などの原子層薄膜を用いた2層構造のデバイスを作製するため，化学的な熱分解法により二硫化モリブデン(MoS2)の試料作製に取り組む。テトラチオモリブデン酸アンモニウム（(NH4)2MoS4）とN,N-ジメチルホルムアミド(DMF)を混合し，真空中やアルゴンガス雰囲気中で加熱し，石英基板上にMoS2を作製する。電気特性や超伝導特性を調べ，半導体-金属-超伝導転移を観測する。重元素から構成されるMoS2は，グラフェンよりもスピン-軌道相互作用(SOI)が大きい。MoS2トランジスタを作製し，低温の量子輸送現象を調べることにより，弱反局在効果による磁気抵抗から，SOIの効果がどの程度大きいか明確にする。また，アルカリ金属が吸着・ドーピングされたMoS2の超伝導特性を調べる。酸化インジウムナノ粒子を表面吸着させたグラフェンの電気特性についても継続して研究を進めていく。
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