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2018 Fiscal Year Annual Research Report

Development of ultrahigh efficiency planer-type electron emission devices using a stacked structure of atomic layer materials

Research Project

Project/Area Number 18H01505
Research InstitutionNational Institute of Advanced Industrial Science and Technology

Principal Investigator

村上 勝久  国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 主任研究員 (20403123)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 山田 洋一  筑波大学, 数理物質系, 准教授 (20435598)
Project Period (FY) 2018-04-01 – 2021-03-31
Keywordsグラフェン / 六方晶窒化ホウ素 / 平面型電子放出デバイス
Outline of Annual Research Achievements

本研究はGraphene/h-BN積層構造を利用した平面型電子放出デバイスを開発し、絶縁層および上部電極での電子の非弾性散乱の抑制により、電子の放出効率と放出電流密度を飛躍的に向上させた超高効率平面型電子放出デバイスを創出することを目的とする。また、Graphene/h-BN積層構造に流れる電子の伝導機構の分析、電子放出効率の膜厚依存性、放出電子のエネルギー分析を実施することにより、これまで詳細に研究されていない、グラフェン、h-BNのc軸方向に対する10 eV帯の低エネルギー電子の散乱確率や平均自由行程を明らかにする。最終的に、電子放出効率数十%、放出電流密度数百mA/cm^2の超高効率平面型電子放出デバイスを実現し、原子層物質のへテロ構造を用いた新しいデバイスを実証することを目的としている。本年度は、Graphene/h-BN/n-Si積層構造の作製プロセスの開発及び、Graphene/h-BN/n-Si積層構造の電子放出デバイスの試作とその特性評価を実施した。Cu箔上にCVD合成したh-BNをn-Si基板に大面積に再現性良く転写可能なプロセスを開発した。これにより、Graphene/h-BN/n-Si積層構造の平面型電子放出デバイスを半導体プロセスにより作製することが可能となった。このプロセスを用いてエミッションエリア10ミクロン角のGraphene/h-BN/n-Si積層構造の電子放出デバイスを試作し電子放出特性を評価したところ、グラフェン電極に電圧を13V程度印加したところから電子放出を確認し、最大で2 A/cm^2の高電流密度での放出電流が得られた。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

早期にGraphene/h-BN/n-Si積層構造の平面型電子放出デバイスの作製プロセスを完成することができた。また、試作したデバイスが実際に動作することを確認し、最大放出電流密度2A/cm^2を達成し、当初目標としていた放出電流密度数百mA/cm^2を超える放出電流密度を達成することができた。

Strategy for Future Research Activity

今後は研究計画に従って、放出電子のエネルギー分布計測を実施する予定である。また、h-BNの金属箔からの転写プロセスでは転写工程での皺やクラックの発生、積層構造界面での汚染などの懸念があるため、h-BNのCVDによる直接成膜手法について検討する。

  • Research Products

    (11 results)

All 2019 2018

All Journal Article (5 results) (of which Peer Reviewed: 2 results) Presentation (6 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Invited: 1 results)

  • [Journal Article] Graphene-oxide-semiconductor planar-type electron emission device and its applications2018

    • Author(s)
      Murakami Katsuhisa、Miyaji Joji、Furuya Ryo、Adachi Manabu、Nagao Masayoshi、Yoshihiro Nemoto、Takeguchi Masaki、Neo Yoichiro、Takao Yoshinori、Yamada Yoichi、Sasaki Masahiro、Mimura Hidenori
    • Journal Title

      Technical digest 31st International Vacuum Nanoelectronics Conference

      Volume: 31 Pages: 36-37

    • DOI

      10.1109/IVNC.2018.8520076

  • [Journal Article] Improvement of Electron Emission Efficiency of Graphene-Oxide-Semiconductor Planar-Type Electron Sources for Nanosatellite Neutralizers2018

    • Author(s)
      Furuya Ryo、Murakami Katsuhisa、Nagao Masayoshi、Takao Yoshinori
    • Journal Title

      Technical digest 31st International Vacuum Nanoelectronics Conference

      Volume: 31 Pages: 188-189

    • DOI

      10.1109/IVNC.2018.8519982

  • [Journal Article] Evaluation of electron emission properties of graphene-oxide-silicon planar type cold cathode for an electron microscope2018

    • Author(s)
      Miyaji Joji、Murakami Katsuhisa、Nagao Masayoshi、Neo Yoichiro、Mimura Hidenori
    • Journal Title

      Technical digest 31st International Vacuum Nanoelectronics Conference

      Volume: 31 Pages: 204-205

    • DOI

      10.1109/IVNC.2018.8520285

  • [Journal Article] Interface-induced perpendicular magnetic anisotropy of Co nanoparticles on single-layer h-BN/Pt(111)2018

    • Author(s)
      Watanabe Takahiro、Yamada Yoichi、Koide Akihiro、Entani Shiro、Li Songtian、Popov Zakhar I.、Sorokin Pavel B.、Naramoto Hiroshi、Sasaki Masahiro、Amemiya Kenta、Sakai Seiji
    • Journal Title

      Applied Physics Letters

      Volume: 112 Pages: 022407~022407

    • DOI

      10.1063/1.5010836

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Dirac Cone Spin Polarization of Graphene by Magnetic Insulator Proximity Effect Probed with Outermost Surface Spin Spectroscopy2018

    • Author(s)
      Sakai Seiji、Erohin Sergei V.、Popov Zakhar I.、Haku Satoshi、Watanabe Takahiro、Yamada Yoichi、Entani Shiro、Li Songtian、Avramov Pavel V.、Naramoto Hiroshi、Ando Kazuya、Sorokin Pavel B.、Yamauchi Yasushi
    • Journal Title

      Advanced Functional Materials

      Volume: 28 Pages: 1800462~1800462

    • DOI

      10.1002/adfm.201800462

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] 小型イオンエンジン用平面型グラフェン電子源の電子電流特性評価2019

    • Author(s)
      古家 遼、村上 勝久、長尾 昌善、鷹尾 祥典
    • Organizer
      第66回応用物理学会春季学術講演会
  • [Presentation] 宇宙利用を目指した平面型グラフェン電子源の放出電子電流向上2019

    • Author(s)
      古家 遼、村上 勝久、長尾 昌善、鷹尾 祥典
    • Organizer
      宇宙輸送シンポジウム
  • [Presentation] Graphene-oxide-semiconductor planar-type electron emission device and its applications2018

    • Author(s)
      K. Murakami
    • Organizer
      31st International Vacuum Nanoelectronics Conference
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 絶縁基板上へのグラフェンの直接合成技術と新規電子デバイスへの応用2018

    • Author(s)
      村上 勝久、長尾 昌善
    • Organizer
      産業技術連携推進会議 情報通信・エレクトロニクス部会 第14回電子技術分科会
  • [Presentation] 平面型グラフェン電子源の放出効率向上と 大電流化に向けた取り組み2018

    • Author(s)
      古家 遼、村上 勝久、長尾 昌善、鷹尾 祥典
    • Organizer
      第62回宇宙科学技術連合講演会
  • [Presentation] 超小型人工衛星に搭載可能なマイクロ電気推進機2018

    • Author(s)
      鷹尾 祥典、土屋 智由、長尾 昌善、村上 勝久
    • Organizer
      安全工学シンポジウム2018

URL: 

Published: 2019-12-27  

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