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2016 Fiscal Year Research-status Report

原子層膜の電極界面制御による単一光子検出

Research Project

Project/Area Number 16K14259
Research InstitutionOsaka Prefecture University

Principal Investigator

秋田 成司  大阪府立大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (60202529)

Project Period (FY) 2016-04-01 – 2018-03-31
Keywordsナノ材料 / 原子層 / 光センサ
Outline of Annual Research Achievements

グラフェンはその電子構造から広い光波長域での超高速光検出器として注目を集めているが、光吸収率が低い、キャリア寿命が短いという問題から単一光子検出感度は実現していない。これに対してグラフェン・電極界面に極めて薄いバリア層を設けることで著しく光感度が向上し室温で数百光子の感度を有することを発見した。本研究ではこの結果を基にグラフェンによる広い波長域で感度をもつ単一光子が検出可能な光センサデバイスの実現を目的とする。
1. 界面障壁の材料と形成法の検討 金酸化膜形成に自然酸化だけでなく酸化度や膜厚の制御が容易な酸素雰囲気中アニール、プラズマ酸化、オゾン酸化、電気化学的方法など多方面から検討した。さらに、トラップ効果のない単純なトンネルバリアとの違いを明確にするために原子層堆積法(ALD)による膜形成または他の原子層膜をバリア層とし検討した。
2. 界面電子状態の解明 先の項目に従って成膜した各種界面層に関してXPSスペクトルから価数、膜厚、被覆率について測定した。また、界面を通した電流の温度依存性、インピーダンス分光法から界面電子状態についてモデルを構築するために予備実験を行った。
3. 界面におけるキャリアの捕獲放出過程 電流の過渡光応答の温度依存性から捕獲放出係数に関する検討を行った。さらに、照射光強度を時間変調する変調光電流分光法からも捕獲・放出過程について検討した。
4. 光生成キャリアの空間分布 光生成キャリアの空間分布は界面での広がりだけでなく光感度発現に関して光誘起熱効果(キャリア密度変化)およびそれに起因したゼーベック効果、光生成キャリアの切り分けが可能になる重要な情報を与える。温度可変の顕微分光装置を改良し測定系を構築した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

概ね計画通りに進行しているが、電極界面の効果と他の効果を切り分けるために、新たに異種積層界面(BN/グラフェン、BN/MoS2)に関しても検討をするなど、より深く理解するための研究も進展させているため「おおむね順調に進展している」と判断した。

Strategy for Future Research Activity

1.デバイス構造の最適化 前年度の結果を基にデバイスの最適化を行う。また、ゲート絶縁膜に関しても引き続き検討し、BN等の荷電不純物の少ない絶縁膜を候補として検討を行う。このような検証結果を基に単一光子検出を実現する。
2.遷移金属ダイカルコゲナイド(TMDC)への展開 グラフェンでは広い波長範囲にわたる感度が期待できるが、一方でバンドギャップが閉じているため暗状態でも一定の電流が流れ続けバックグラウンドとなる。高速で且つ単一光子計測を実現するためには暗電流の抑圧が重要でありバンドギャップをもつTMDCを用いて界面状態を変調し特性向上を図る。
3.単層TMDCにおける界面効果による応答の高速化 グラフェンと同様に電極界面に捕獲された光誘起キャリアにより界面近傍のバンド構造が変調される。ただしグラフェンとは異なりバンドギャップが存在するため光生成キャリアの寿命は比較的長く通常の光伝導度変化も現れる。これに関して、グラフェンとTMDCでは仕事関数が異なることにも注意を払いグラフェンと同様に電極の効果について検討をすすめる。
4.グラフェン・TMDC積層膜の形成 グラフェンとの積層界面に従来報告されているようなトンネルバリアでなくトラップを有する障壁を上記項目の検討結果をもとに形成し、界面バンド構造を変調することで広帯域・高速の光検出器を実現する。

Causes of Carryover

旅費とその他費に計上していた予算に大幅な差異が生じたのは論文投稿および学会発表が本年度中に間に合わず翌年度に繰り越されたためである。

Expenditure Plan for Carryover Budget

既に当該年度に関する成果の論文投稿の準備、学会発表予定もあり、適正に執行できる計画である。また、論文投稿先がOpen Accessとなり掲載料金が高騰しているためこれに充てる予定である。

  • Research Products

    (8 results)

All 2017 2016 Other

All Journal Article (1 results) (of which Peer Reviewed: 1 results) Presentation (6 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] Heat transfer of suspended carbon nanotube yarn to gases2016

    • Author(s)
      Yukiko Wada, Koji Kita, Kuniharu Takei, Takayuki Arie, Seiji Akita
    • Journal Title

      Applied Physics Express

      Volume: 9 Pages: 085001-1-4

    • DOI

      10.7567/APEX.9.085001

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] グラフェン/n型Siショットキー接合ゲートFETにおける光応用特性2017

    • Author(s)
      小林史歩、安野裕貴、竹井邦晴、有江隆之、秋田成司
    • 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, 横浜
    • Year and Date
      2017-03-14 – 2017-03-17
  • [Presentation] MoS2-フォトトランジスタの光応答特性2017

    • Author(s)
      宮本悠雅、吉川大貴、竹井邦晴、有江隆之、秋田成司
    • 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, 横浜
    • Year and Date
      2017-03-14 – 2017-03-17
  • [Presentation] Photoinduced force on polystyrene microsphere measured by carbon nanotube mechanical resonator2016

    • Author(s)
      Masaaki Yasuda, Kuniharu Takei, Takayuki Arie, Seiji Akita
    • Organizer
      29th International Microprocesses and Nanotechnology Conference
    • Place of Presentation
      ANA Crown Plaza Kyoto, Kyoto
    • Year and Date
      2016-11-08 – 2016-11-08
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Graphene FET of high photosensitivity using schottky diode between graphene and n-type silicon2016

    • Author(s)
      小林史歩、安野裕貴、竹井邦晴、有江隆之、秋田成司
    • 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
      北海道立道民活動センター, 札幌
    • Year and Date
      2016-09-07 – 2016-09-09
  • [Presentation] Single-wall carbon nanotube/polyimide thin film heater2016

    • Author(s)
      Kobayashi Daiki, Kuniharu Takei, Takayuki Arie, Seiji Akita
    • Organizer
      7th International Conference on the Science and Application of Nanotubes
    • Place of Presentation
      Vienna, Austria
    • Year and Date
      2016-08-07 – 2016-08-13
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Resonance control of carbon nanotube cantilever on floating potential by electrostatic interaction2016

    • Author(s)
      Kenshi Inotani, Masaaki Yasuda, Kuniharu Takei, Takayuki Arie, Seiji Akita
    • Organizer
      7th International Conference on the Science and Application of Nanotubes
    • Place of Presentation
      Vienna, Austria
    • Year and Date
      2016-08-07 – 2016-08-13
    • Int'l Joint Research
  • [Remarks] 大阪府立大学工学研究科 電子物理工学分野 ナノデバイス研究グループ

    • URL

      http://www.pe.osakafu-u.ac.jp/nanodevice-pe4/

URL: 

Published: 2018-01-16  

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