2019 Fiscal Year Annual Research Report
Electron heat engineering using graphene
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19H02542
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
守谷 頼 東京大学, 生産技術研究所, 特任講師 (30548657)
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2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | グラフェン / 熱電効果 / 赤外光検出 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
グラフェンは六方格子を持った炭素原子一層のシートである。電子の比熱が小さく、さらに電子-格子間相互作用が弱いという特徴を持つ。そのため、グラフェンにおいては、格子の温度とはほぼ独立に、電子系の温度だけを上昇させることが可能である。このような格子系を介さない電子系だけを用いた熱伝達の制御、さらにそこから派生する効率的な熱電変換素子の実現が本研究の目的である。
本年度は、グラフェンの電子温度だけを昇温させる方法として長波長赤外光を照射する実験を中心に行った。グラフェンの電子系が赤外光を吸収することによりその電子温度が上昇する。それに伴ってグラフェン内に発生した温度勾配を、熱電効果によって検出する方法を試みた。得られた結果として、単層グラフェン、三層グラフェンによってこのような光熱電効果による電圧発生を観測することができた。さらに低温強磁場においては、グラフェンの状態密度が量子化することにより赤外光吸収効率が増大するサイクロトロン共鳴を用いて、光検出感度を増大が可能であることを示した。さらにこの手法がランダウ量子化した単層、三層グラフェンのバンド構造を実測する手段として活用できることを示した。
構造をさらに工夫し、グラフェンと二硫化モリブデンのヘテロ構造を作製することで既存のグラフェンデバイスを大きく上回る光検出感度を実現することに成功した。これらの成果は論文として発表した。本成果はグラフェンの電子温度を制御する方法として赤外光が有用であることを示し、今後の研究計画を大きく進捗させると考えている。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本年度は以下に示す結果を得ることに成功し、全て論文として発表した。得られた主な結果である赤外光照射によるグラフェンの電子温度の制御(3,5,6)と、それによる高感度な赤外光検出(3)は当初予定していた研究計画と一致するものであり、初年度の目標は達成されたと考えている。加えて本研究を遂行する過程で発生した素子作製手法(1,8,10)や材料研究の成果(2,4,7,9)も論文としてにすることができた。これらの結果は全て翌年度以降の研究計画に役立つ成果であり、予想以上に研究が進んでいると感じている。
(1)グラフェンヘテロ構造の新規作製方法を開発した。(2)グラフェンの基板として用いるh-BN結晶の不純物の起源を解明した。(3)グラフェン/MoS2構造を用いて高感度な赤外光検出を実現した。(4)ReN2という金属材料の物性を明らかにした。(5)光ネルンスト効果によるグラフェンのサイクロトロン共鳴の検出に成功した。(6)三層グラフェンのランダウ準位の特性を光起電力測定から明らかにした。(7)常圧合成したh-BNが高品質基板として活用できることを示した。(8)グラフェンヘテロ構造の作製手法に関するレビューを書いた。(9)超伝導/グラフェン界面の特性と電子温度の影響を調べた。(10)グラフェンの３次元構造を作製する手法を新規に開発した。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度はグラフェンへの光照射の研究を行った。翌年度は、逆にグラフェンを温めた時に放出される光に特化して研究を行う予定である。グラフェンに電流を流すとその電子系は温められる。電子-格子相互作用が小さいグラフェンにおいては、電子温度は格子温度よりはるかに高い値をとることができるはずである。このような高い温度にある電子系からの熱輻射の光を独自に立ち上げた赤外分光測定系を用いて検出する予定である。輻射光を観測することによりグラフェンの電子温度を精密に求めることができる。さらにこの輻射光は、今だ良い製品が市販されていない長波長赤外領域に存在しておりグラフェンの赤外光源の応用可能性も期待できる。
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