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2021 Fiscal Year Annual Research Report

Electron heat engineering using graphene

Research Project

Project/Area Number 19H02542
Research InstitutionThe University of Tokyo

Principal Investigator

守谷 頼  東京大学, 生産技術研究所, 特任准教授 (30548657)

Project Period (FY) 2019-04-01 – 2022-03-31
Keywordsグラフェン
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、同一基板状に作製した2つのグラフェンデバイスを用い、一方のグラフェンを黒体輻射光源として赤外光を放出し、もう一方のグラフェンを赤外検出器とすることによりグラフェン光源からの光を検出するという実験を試みた。この実験により2つの離れたグラフェン間のエネルギー輸送を定量的に調査することが可能である。ファンデルワールス積層技術を用いてグラフェン/六方晶窒化ホウ素(h-BN)/グラフェン積層構造を作製した。h-BNの厚みを40 nm程度にすることにより2つのグラフェン間は電気的には絶縁されている。一方のグラフェンに電流を印加した際、もう一方のグラフェンには大きな熱起電力が発生した。これはを一方のグラフェンが黒体放射光源として赤外光を放出し、もう一方のグラフェンが熱電効果を用いた赤外光検出器としてエネルギー輸送が起こっていることを示唆している。比較のため間のh-BNを40 nm h-BN/二層グラフェン/40 nm h-BNに変えた素子も測定したがエネルギー輸送はほぼ同程度であった。黒体輻射源の波長は2つのグラフェンの間の距離よりも長いため、近接場の効果によるエネルギー輸送の増大についても検討した。結果として低温から室温の広い温度範囲において、グラフェンからの強い熱輻射の効果を示唆する結果を得た。

Research Progress Status

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

  • Research Products

    (25 results)

All 2022 2021

All Journal Article (4 results) (of which Peer Reviewed: 4 results) Presentation (21 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Invited: 1 results)

  • [Journal Article] Switchable out-of-plane shift current in ferroelectric two-dimensional material CuInP<sub>2</sub>S<sub>6</sub>2022

    • Author(s)
      Zhang Yijin、Taniguchi Rei、Masubuchi Satoru、Moriya Rai、Watanabe Kenji、Taniguchi Takashi、Sasagawa Takao、Machida Tomoki
    • Journal Title

      Applied Physics Letters

      Volume: 120 Pages: 013103~013103

    • DOI

      10.1063/5.0074371

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Subband-resolved momentum-conserved resonant tunneling in monolayer graphene/<i>h</i>-BN/ABA-trilayer graphene small-twist-angle tunneling device2022

    • Author(s)
      Seo Yuta、Masubuchi Satoru、Onodera Momoko、Zhang Yijin、Moriya Rai、Watanabe Kenji、Taniguchi Takashi、Machida Tomoki
    • Journal Title

      Applied Physics Letters

      Volume: 120 Pages: 083102~083102

    • DOI

      10.1063/5.0080215

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Resonant Tunneling Due to van der Waals Quantum-Well States of Few-Layer WSe<sub>2</sub> in WSe<sub>2</sub>/h-BN/p<sup>+</sup>-MoS<sub>2</sub> Junction2021

    • Author(s)
      Takeyama Kei、Moriya Rai、Okazaki Shota、Zhang Yijin、Masubuchi Satoru、Watanabe Kenji、Taniguchi Takashi、Sasagawa Takao、Machida Tomoki
    • Journal Title

      Nano Letters

      Volume: 21 Pages: 3929~3934

    • DOI

      10.1021/acs.nanolett.1c00555

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Probing many-body interactions in the cyclotron resonance of h-BN/bilayer graphene/ h-BN2021

    • Author(s)
      Moriya Rai、Park Sabin、Masubuchi Satoru、Watanabe Kenji、Taniguchi Takashi、Machida Tomoki
    • Journal Title

      Physical Review B

      Volume: 104 Pages: 245137-1~7

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.104.245137

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] 遷移金属ダイカルコゲナイドにおけるサブバンド量子化物性2022

    • Author(s)
      守谷 頼
    • Organizer
      令和4年 東北大学電気通信研究所 共同プロジェクト研究会 「固体中のスピン・軌道ダイナミクスとその制御」
  • [Presentation] ツイスト単層/二層グラフェンにおけるトポロジカルエッジ伝導の観測2022

    • Author(s)
      金田譲、増渕覚、中辻直斗、越野幹人、張奕勁、守谷頼、渡邊賢司、谷口尚、町田友樹
    • Organizer
      日本物理学会 第77回年次大会
  • [Presentation] Tunneling photo-thermoelectric effect under cyclotron resonance in graphene-based van der Waals heterojunction2022

    • Author(s)
      S. Park, R. Moriya, Y. Seo, Y. J. Zhang, S. Masubuchi, K. Watanabe, T. Taniguchi, T. Machida
    • Organizer
      第69回応用物理学会春季学術講演会
  • [Presentation] 4 層 WSe<sub>2</sub>の伝導帯サブバンドを利用した共鳴トンネル効果2022

    • Author(s)
      木下 圭、守谷 頼、岡崎 尚太、張 奕勁、増渕 覚、渡邊 賢司、谷口 尚、笹川 崇男、町田 友樹
    • Organizer
      第69回応用物理学会春季学術講演会
  • [Presentation] Generation of orbital angular moment at van Hove singularity in rotationally aligned graphene/h-BN moire superlattice2021

    • Author(s)
      Rai Moriya
    • Organizer
      5th EU-Japan Workshop on Graphene and Related 2D Materials (EU-JP 2D Workshop2021)
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Influence of the Carbon-Rich Domain in Hexagonal Boron Nitride Single Crystals on Transport Properties of Adjacent Graphene2021

    • Author(s)
      M. Onodera, K. Watanabe, S. Masubuchi, R. Moriya, T. Taniguchi, T. Machida
    • Organizer
      14th International Conference on New Diamond and Nano Carbons 2020/2021(NDNC 2020/2021)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Twisted二層グラフェンvdWトンネル素子での電気伝導測定2021

    • Author(s)
      瀬尾 優太、増渕 覚、守谷 頼、渡邊 賢司、谷口 尚、町田 友樹
    • Organizer
      2021年第82回応用物理学会秋季学術講演会
  • [Presentation] Twisted二層グラフェン/h-BNモアレ超格子での非局所負抵抗の観測2021

    • Author(s)
      瀬尾 優太、増渕 覚、守谷 頼、渡邊 賢司、谷口 尚、町田 友樹
    • Organizer
      第82回応用物理学会秋季学術講演会
  • [Presentation] ツイスト積層二層グラフェンにおけるサイクロトロン共鳴吸収の観測2021

    • Author(s)
      小野寺 桃子、瀬尾 優太、増渕 覚、守谷 頼、渡邊 賢司、谷口 尚、越野 幹人、町田 友樹
    • Organizer
      2021年第82回応用物理学会秋季学術講演会
  • [Presentation] ランダウ量子化二層グラフェンのサイクロトロン共鳴における多体効果2021

    • Author(s)
      守谷 頼、朴 士彬、増渕 覚、渡邊 賢司、谷口 尚、町田 友樹
    • Organizer
      2021年第82回応用物理学会秋季学術講演会
  • [Presentation] Detection of cyclotron resonance using bulk-contacted graphene device2021

    • Author(s)
      Sabin Park、Rai Moriya、Yuta Seo、Yijin Zhang、Satoru Masubuchi、Kenji Watanabe、Takashi Taniguchi、Tomoki Machida
    • Organizer
      2021年第82回応用物理学会秋季学術講演会
  • [Presentation] 家庭用 PVC ラップを用いた二次元層状ヘテロ構造の作製2021

    • Author(s)
      若藤 祐斉、守谷 頼、小野寺 桃子、増渕 覚、渡辺 賢司、谷口 尚、町田 友樹
    • Organizer
      2021年第82回応用物理学会秋季学術講演会
  • [Presentation] Cyclotron resonance absorption in monolayer graphene under double moire potentials2021

    • Author(s)
      M. Onodera, K. Kinoshita, R. Moriya, S. Masubuchi, K. Watanabe, T. Taniguchi, T. Machida
    • Organizer
      The 12th Recent Progress in Graphene and Two-dimensional Materials Research Conference (RPGR 2021)
  • [Presentation] Quantum Hall photo-thermoelectric effect in inner contact graphene device2021

    • Author(s)
      S. Park, R. Moriya, Y. Seo, Y. J. Zhang, S. Masubuchi, K. Watanabe, T. Taniguchi, T. Machida
    • Organizer
      The 12th Recent Progress in Graphene and Two-dimensional Materials Research Conference (RPGR 2021)
  • [Presentation] Large orbital angular moment at van Hove singularity in graphene/h-BN moire superlattice probed by magneto-thermoelectric measurement2021

    • Author(s)
      R. Moriya, K. Kinoshita, J. A. Crosse, K. Watanabe, T. Taniguchi, S. Masubuchi, P. Moon, M. Koshino, T. Machida
    • Organizer
      The 12th Recent Progress in Graphene and Two-dimensional Materials Research Conference (RPGR 2021)
  • [Presentation] Transfer method in the liquid phase for two-dimensional materials2021

    • Author(s)
      Y. Wakafuji, R. Moriya, S. Masubuchi, K. Watanabe, T. Taniguchi, T. Machida
    • Organizer
      The 12th Recent Progress in Graphene and Two-dimensional Materials Research Conference (RPGR 2021)
  • [Presentation] Resonant tunneling and negative differential resistance in fewlayer WSe<sub>2</sub>/h-BN/p<sup>+</sup>-MoS<sub>2</sub> van der Waals junctions2021

    • Author(s)
      T. Machida, K. Takeyama, R. Moriya, Y. J. Zhang, S. Masubuchi, S. Okazaki, T. Sasagawa, K. Watanabe, T. Taniguchi
    • Organizer
      The 12th Recent Progress in Graphene and Two-dimensional Materials Research Conference (RPGR 2021)
  • [Presentation] Emergence of orbital moment at van Hove singularity in graphene/h-BN moire superlattice probed by magneto-thermoelectric measurement2021

    • Author(s)
      Rai Moriya, Kei Kinoshita, J. A. Crosse, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Satoru Masubuchi, Pilkyung Moon, Mikito Koshino, Tomoki Machida
    • Organizer
      24th International Conference on Electronic Properties of Two-Dimensional Systems/20th International Conference on Modulated Semiconductor Structures
  • [Presentation] Anomalous hysteresis in dual-gate h-BN/WTe<sub>2</sub>/h-BN van der Waals junction devices2021

    • Author(s)
      Xiaohan Yang、Yijin Zhang、Eisuke Watanabe、Satoru Masubuchi、Rai Moriya、Shota Okazaki、Takao Sasagawa、Mina Maruyama、Susumu Okada、Kenji Watanabe、Takashi Taniguchi、Tomoki Machida
    • Organizer
      2021年第82回応用物理学会秋季学術講演会
  • [Presentation] 4層WSe<sub>2</sub>/h-BN二重量子井戸における共鳴トンネル効果2021

    • Author(s)
      木下 圭、守谷 頼、岡崎 尚太、張 奕勁、増渕 覚、渡邊 賢司、谷口 尚、笹川 崇男、町田 友樹
    • Organizer
      2021年第82回応用物理学会秋季学術講演会
  • [Presentation] 複数層WSe<sub>2</sub>のサブバンド準位における共鳴トンネル効果の観測2021

    • Author(s)
      竹山 慶、守谷 頼、岡崎 尚太、張 奕勁、増渕 覚、渡邊 賢司、谷口 尚、笹川 崇男、町田 友樹
    • Organizer
      2021年第82回応用物理学会秋季学術講演会

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Published: 2022-12-28  

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