2020 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) |
武田 淳 横浜国立大学, 大学院工学研究院, 教授 (60202165)
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)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | グラフェン / NEMS / フォノンエンジニアリング / ナノイオンビーム / 熱整流作用 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
タスク【T1】前年度に作製したGPnC素子を詳細に評価した結果、グラフェン表面のカーボン付着コンタミにより、ナノ孔が局所的に形成されていない問題を見出した。そのためHIMへの試料導入時に窒素・酸素混合ラジカル照射洗浄を行った結果、ラマン分光で評価したGバンド強度とDバンド強度の比が0.6（未照射）から0.78（45分）へと増加し、結晶性が改善されることを見出した。
タスク【T2】超高真空テラヘルツSTMに発光検出光学系を組込み、ナノスケールで時間分解発光が計測可能なテラヘルツ誘起走査トンネル発光分光手法を開発した。これを用いて局在プラズモン発光を測定し、空間分解能や発光検出感度を評価した。また、通常のSTMで宙吊りグラフェン及びGPnCのトンネル分光測定を行った。微分コンダクタンスのマッピングにより、GPnC外のグラフェン領域ではディラック電子の分散を反映した電子状態を、またナノ孔付近ではギャップ構造を観測した。
タスク【T3】HIM技術で直径6 nm, ピッチ20 nmのフルメッシュ（FM）構造と、ハーフメッシュ（HM）構造を作製し、その両端に電気・熱測定用４端子電極を備えた。バイアス電圧の極性を変えて電気伝導特性を評価し、極性に依らずコンダクタンスが一致することを確認した。次に、Differential Thermal Leakage(DTL)法を用い、熱バイアス極性を変えて測定した結果、HM形成側に熱源を置いた場合に熱伝導が高くなる非対称性を観測した。環境温度150 Kで得られた熱整流率は約60%であった。
タスク【T4】対称・非対称GPnCチャネルに、シリコン基板をバックゲートとして電界で引っ張り応力を印加し、電気・熱伝導特性を変調する新奇な３端子熱スイッチングの予備実験を行った。電気伝導特性の変調を観測するとともに、電気伝導特性の対称性は維持されていることを確認した。
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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、大面積の宙吊りグラフェン両持ち梁上にGPnCを形成するプロセスにおいて、①部分的にナノ孔が形成されない問題と、②グラフェン梁と４端子電極のコンタクト付近でグラフェンが破損する問題が生じた。①に対しては、ヘリウム顕微鏡への試料デバイス導入時に窒素・酸素混合ラジカル照射洗浄の前処理を行い、グラフェン梁表面の僅かな残留レジストを除去することで改善をはかった。また、②については、形成するナノメッシュ端と４端子電極の間に100 nmの間隔をあけることで、集束ヘリウムイオンビームによるダメージを回避し解決した。これらの対策により、ナノ孔直径～6nmの局所GPnC構造と４端子熱・電気コンタクト電極を集積した素子を安定的に形成し、予定通り【T2】での熱伝導計測を実施することができた。
また、タスク【T3】では、独自のDifferential Thermal Leakage(DTL)計測手法を考案し、GPnCチャネルの電気伝導特性と熱電度特性を同一デバイスで評価することに成功した。当初の計画では、４端子電極とグラフェンチャネルをオーミック接合させた電気伝導特性評価専用デバイスと、その間に絶縁膜を導入した熱電度特性評価専用デバイスを別々に作製する予定であったが、DTL法の考案により、素子作製時間の短縮に加えて、素子間の特性ばらつきの問題も同時に解決することができた。これは当初計画を上回る大きな成果である。
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| Strategy for Future Research Activity |
タスク【T1】:ナノ孔の直径と周期、およびチャネル内でのナノ孔アレイ位置を変化させた様々な対称・非対称GPnC構造を形成する。並行して、３次元有限要素法シミュレーションによるフォノニックバンド構造設計・解析を行い、フォノン分散、フォノン状態密度、フォノン群速度を定量的に解析する。ナノメッシュ構造の空間的非対称性とタスク【T3】で観測された熱整流作用との相関を明らかにする。
タスク【T2】：熱伝播制御可能な非対称GPnCを用い、THz波をSTM接合部に照射して、トンネル電子計測を行う。テラヘルツ照射前後のトンネル電子計測から、非対称GPnCの電子状態及び熱伝播特性を評価する。
タスク【T3】: 【T1】で作製した様々なGPnC構造チャネルの両端に電気・熱測定用４端子電極を備えたサスペンデッド素子構造を作製する。R3年度に確立したDifferential Thermal Leakage(DTL)法を用いて、環境温度を液体窒素温度～室温まで変化させた際の熱整流特性を測定し、非対称熱伝導現象のメカニズムを明らかにする。
タスク【T4】: シリコン基板をグローバルゲート電極として用いる方法、およびサスペンデッド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設ける方法により、宙吊りGPnCに電界で引っ張り応力を加えることで、GPnCの熱フォノン伝搬特性を変調する３端子熱スイッチング素子の動作原理検証を行う。
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Research Products
(21 results)
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[Journal Article] Room-temperature negative magnetoresistance of helium-ion-irradiated defective graphene in the strong Anderson localization regime2021
Author(s)
Takuya Iwasaki, Shu Nakamura, Osazuwa G. Agbonlahor, Manoharan Muruganathan, Masashi Akabori, Yoshifumi Morita, Satoshi Moriyama, Shinichi Ogawa, Yutaka Wakayama, Hiroshi Mizuta, Shu Nakaharai
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Journal Title
Carbon
Volume: 175
Pages: 87-92
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Presentation] Observation of charge carrier localization-induced negative magnetoresistance at room temperature in helium-ion-irradiated defective graphene2020
Author(s)
Takuya Iwasaki, Shu Nakamura, Osazuwa Gabriel Agbonlahor, Manoharan Muruganathan, Masashi Akabori, Yoshifumi Morita, Satoshi Moriyama, Shinichi Ogawa, Yutaka Wakayama, Hiroshi Mizuta, Shu Nakaharai
Organizer
2020 International Conference on Solid State Devices and Materials
Int'l Joint Research
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