2019 Fiscal Year Annual Research Report
Heat phonon engineering based on single-nanometer-scale graphene NEMS technology
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18H03861
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| Research Institution | Japan Advanced Institute of Science and Technology |
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Principal Investigator |
水田 博 北陸先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 教授 (90372458)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
森田 行則 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, 研究グループ長 (60358190)
武田 淳 横浜国立大学, 大学院工学研究院, 教授 (60202165)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | NEMS / グラフェン / フォノンエンジニアリング / イオンビーム |
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| Outline of Annual Research Achievements |
タスク【T1】長さ・幅200 nm ～数umのマルチスケール宙吊りグラフェン梁上に、集束ヘリウムイオンビームによって孔直径～6nm、ピッチ15 ～ 50 nmのアレイを全面（フルメッシュFM-GPnC構造)と半面（HM-PnC構造）で形成した。また、クロス形状ナノ孔GPｎC構造に対して、３次元有限要素法でフォノン分散関係を解析し、従来の円形ナノ孔と同じピッチであっても、クロス構造の方がフォノンバンドギャップ広帯域化と群速度低下で優位性があることを見出した。
タスク【T2】7.5 fs超短パルスチタンサファイアレーザーを用い、イオン液体によりゲート電圧を印加した単層グラフェンのポンプ・プローブ分光計測を行い、電子励起に伴うディラック電子の超高速エネルギー・運動量緩和と高周波振動を観測した。その結果、バイアス印加に伴う緩和経路のブロッキングとポンプ光照射に伴う’熱効果’による光伝導の超高速変調を見出すことができた。また、顕微分光によりグラフェンの高周波フォノンに対するファノ効果（電子・格子相互作用）の層厚依存性を見出した。
タスク【T3】FM-GPnC構造、および幅500～100 nmの並列宙吊りグラフェンナノリボン構造の電気伝導特性を温度300 - 10 Kで評価した。コンダクタンスの温度依存性から活性化エネルギーEa（トランスポートギャップ）を抽出し、FM-GPnCにおけるEaの孔隙率（0 - 15%）依存性を見出した。並列グラフェンナノリボン構造については、有効リボン幅依存性が見られないことから、得られたEaの孔隙率依存性はナノ孔間量子閉じ込めと孔周辺の点欠陥による電子局在に起因していることがわかった。
タスク【T4】HM-PnC構造に、マイクロヒータと温度センサ電極を集積化した熱伝導整流性評価デバイスを作製し、ヒータ・センサの基本特性（抵抗‐パワー相関）を評価した。
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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
タスク【T1】では、GPnCの原子スケール作製では、大面積の宙吊りグラフェン両持ち梁全面に集束ヘリウムイオンビームミリングによりナノ孔アレイを加工するプロセスにおいて、グラフェン梁が破断する問題が生じたが、ナノ孔のピッチとイオンビーム照射量、照射時間の最適化を行い、さらにグラフェン梁支持部とリボン両端にビームを照射しない～50 nm程度の保護部を設けることで問題を回避し、ナノ孔直径～6nm、最小ナノ孔ピッチ～15 nmのフルメッシュおよびハーフメッシュGPnC構造を安定的に形成することに成功した。
また、ナノ空間の電子・フォノン伝播を計測するため、タスク【T2】において研究後半で実施予定であった超高真空下で動作する光・テラヘルツ走査トンネル顕微鏡（光・THz-STM）を前倒しで構築し、その動作テストとして、光照射に伴うGe2Sb2Te5（GST）相変化材料の結晶相とアモルファス相の電子状態の相違をナノ空間でグリッドマッピングし、相変化が5x5 nm2程度のナノ空間で生じることを見出すことができた。さらに、タスク【T3】では、宙吊りグラフェン梁を台形型に加工したチャネルや、GPnCをチャネルの半面だけに導入したハーフメッシュ構造など、当初計画にはなかった空間的非対称チャネル新構造を作製し、その基本的電気特性評価を行うことに成功した。これらは当初計画を上回る進展である。
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| Strategy for Future Research Activity |
タスク【T1】電子線直接描画と集束HIBMを併用して、ナノ孔寸法と周期の異なるGPnCユニットセルを重ねてブリルアンゾーンを制御し、フォノンバンドギャップ帯域の制御とゾーン・フォールディングによる群速度低下を狙う。３次元有限要素法により、GPnCユニットセルの構造パラメータを変化させてフォノン分散、状態密度、群速度を定量的に解析する。また、ハーフメッシュ構造などナノ孔を局所的に導入したチャネル構造や、チャネル幅が異なるナノリボンを直列接続したヘテロ接合構造など、空間的非対称性を導入することによる熱フォノン伝搬の非対称性の発現を探索する。
タスク【T2】強度と位相を制御して光・テラヘルツ波を照射できる超高真空光・THz-STMを用いて、宙づりグラフェンにおける熱フォノン伝搬特性の評価を行う。最初にDCバイアス印加による電流・電圧特性評価を行う。位相・強度を制御した光・THzを探針近傍に照射し、ナノスケールでのトンネル電子計測を行う。STMの探針をナノスケールで移動させながら光・テラヘルツ照射前のトンネル電子を計測し、電子状態のマッピングを行う。次に、光・テラヘルツ照射に伴うトンネル電子計測のマッピングを行い、両者の比較から、熱・フォノン伝播の影響を議論する。
タスク【T3】波動性フォノン伝播変調・制御機構の開拓においては、【T1】で作製した空間非対称性をもつナノフォノニック構造をフォノン波散乱体として中心に設けた４端子サスペンデッド素子構造を作製する。シリコン基板をグローバルゲートとしてバックゲート電圧を印加し、応力印加によるフォノン伝播指向性変調の可能性を探索する。
タスク【T4】GPnCチャネルの下部あるいは上部にアクチュエーション電極を作製し、電界で引っ張り応力を加え、GPnCの熱フォノン伝搬特性を変調する方法で新奇な３端子熱スイッチング素子の開発を行う。
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[Presentation] Fabry-Pérot resonances in narrowly separated p-n interfaces in hBN/graphene/hBN with quantum point contact2019
Author(s)
S. Nakaharai, N. Fariha Ahmad, T. Iwasaki, K. Komatsu, K.Watanabe, T. Taniguchi, H. Mizuta, Y. Wakayama, A. Manaf Hashim, Y. Morita, S. Moriyama
Organizer
The 11th annual Recent Progress in Graphene and Two-dimensional Materials Research Conference
Int'l Joint Research
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[Presentation] グラフェンナノデバイスによる超高感度環境・生体ガスセンシング技術と熱制御技術の現状と展望2019
Author(s)
水田 博, G. Agbonlahor, 宮下 寛也, 古川 篤, F. Liu, M. Haque, 中野 颯也, M. Muruganathan, 槇 恒, 恩田 陽介, 服部 将志, 下舞 賢一, 関根 嘉香
Organizer
北陸産業活性化フォーラム
Invited
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