2018 Fiscal Year Research-status Report
Study on electronic properties of two-dimensional layered materials under high electric field
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17K05500
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| Research Institution | Okayama University |
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Principal Investigator |
後藤 秀徳 岡山大学, 異分野基礎科学研究所, 准教授 (90322669)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | グラフェン / 電界効果 / 二次元層状物質 / バンド制御 / イオン液体 / 電子移動 / 自己組織化単分子膜 / 分子吸着 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
金属や半導体の内部には電界が侵入できないため、電界が物性に与える効果は、磁場の効果と比べ十分に研究されているとは言えない。本研究の目的は、電界が侵入できる長さ（電界遮蔽長）よりも十分薄い二次元層状物質に対して垂直電場を加え、電子物性へ与える効果を調べることである。垂直電界を印加する方法として、層状物質の上下から絶縁体を介して正負の異なるゲート電圧を加える電界効果の方法と、層状物質の上下に電子供与性と受容性の分子を接する電荷移動の方法を用いた。垂直電場の大きさに対応した大きさのバンドギャップが開くことが知られている二層グラフェンを用いてこれらの方法による電界の生成を調べた。
これまでの研究で、一様な垂直電場を生成するためには試料垂直方向だけでなく、水平方向の遮蔽長も重要な因子となることを明らかにした。つまり、電界をつくるゲート電極や分子のポテンシャルエネルギーは、水平方向の遮蔽長よりも長いスケールで一様である必要がある。この結果は、分子吸着の方法ではポテンシャルエネルギーの空間的な揺らぎを増やすため、一様な垂直電場の生成が不可能であることを示唆している。しかし、様々な分子をグラフェンに吸着しその場で電気伝導を測定した結果、ある特定の分子に対しては移動度が低下しないことがわかった。これは分子の吸着によって、グラフェンのポテンシャルエネルギーの揺らぎが減少することを意味し、分子吸着の方法の発展性を示す結果である。さらに電界効果の方法をグラフェン以外の層状物質へも適用した。不純物ドープしたトポロジカル絶縁体の移動度の電界効果に対する変化を調べ、フェルミ準位の位置を特定し、不純物原子とトポロジカル絶縁体間の電子移動の詳細を明らかにした。この結果により、この物質が示す特異な物性を明らかにする手掛かりを得ることができた。
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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
分子吸着によるキャリア移動度の低下は、帯電した分子によるクーロン散乱で説明されてきた。しかし一連のグラフェンへの分子吸着の実験において、ある電子受容性分子を吸着させた場合には、電子移動が起こるにもかかわらず移動度が低下しないことを見出した。この結果は、分子の最低空分子軌道(LUMO)準位とグラフェンのフェルミ準位が特殊な位置関係にあり、グラフェンに存在するポテンシャルエネルギーの空間的な揺らぎを減少させるように分子吸着がおこるというモデルで説明できる。これは、あらゆる分子デバイスの特性向上に利用できる意義ある結果である。本結果については、現象の再現性を確認しながら、論文を作製中である。グラフェンへの電界印加の方法としては、他に電子供与性の自己組織化単分子膜(SAMs)、イオン液体がつくる電気二重層や、Alとグラフェン間に生じる自然酸化膜Al2O3をゲート絶縁膜とする電界効果を用いて、強電界の生成を試みた。
また、研究対象をグラフェン以外の二次元層状物質にも広げた。トポロジカル絶縁体Bi2Se3にAgを不純物ドープした試料で電界効果トランジスタ(FET)動作を測定し、ゲート電圧を正負に加えるときで移動度が異なることを見出した。この結果はフェルミ準位が伝導帯の底部に固定されていることを示し、不純物ドーピングの方法によるフェルミ準位の制御の可能性を示した。現在この結果について論文を作製中である。さらにこの物質については低温において電気抵抗が急激に減少する転移現象と、印加磁場の正負に対して磁気抵抗が非対称となる異常な磁気伝導を見出しており、これらの原因を温度、電場、磁場の依存性から探索している。
分子吸着による方法で興味深い発展性のある結果が得られたとともに、研究対象を他の材料に応用し有用な情報が得られたという点で、本研究はおおむね順調に進展していると結論した。
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| Strategy for Future Research Activity |
最終年度は、電界が二次元層状物質の物性に与える効果を以下の項目について広い視点から調べる。すべて前年度からの研究の継続であり、一定の成果が予測される課題である。
(1) 電子供与性の自己組織化単分子膜(SAMs)による電子移動とイオン液体の電気二重層を用いた電界効果との二つの方法を用いた強電界の印加を試みる。SAMsは基板上に一様高密度に生成されるので、垂直電界の生成に有用であると期待できるが、これまでの研究から電子移動に寄与するのはSAMsの分子のごく一部であることがわかった。電子移動量はグラフェンのフェルミ準位によって制限されていると考えられるので、イオン液体をもちいた電界効果によって、フェルミエネルギーを低下させれば電子移動量が増え、均一な大きい垂直電界を加えられると考えている。
(2) 分子の形状によるドープ効果の相違について議論する。これまでの研究で、様々な分子に共通する性質と、分子によって異なる性質があることがわかってきた。様々な置換基をベンゼン環にもつ分子を比較した結果、４回対称性を持つ分子よりも２回対称の分子で電子移動量が大きい傾向にある。グラフェンへの吸着状態を考察し、分子の形状や大きさに依存する効果を調べる。
(3) 微小なダブルゲート構造で生じる新たな現象を探索する。Al細線をもちいた微小ゲート構造によってゲート電圧に対する伝導度の振動が比較的高温で観測された。微小ゲート電極を原因とするどのような電子散乱が生じているのかについて明らかにする。
(4) AgドープBi2Se3で観測された低温における伝導度の減少と、異常な磁気抵抗の原因について考察する。トポロジカル絶縁体のようなスピン軌道相互作用が重要となる系では電界の効果が物性に大きく寄与すると考えられるので、強電界印加による物性制御を期待して研究を行う。
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| Causes of Carryover |
次年度イタリアで開催される国際会議の招待講演の依頼をうけたため、旅費にあてる予定で次年度使用分として残した。
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