低次元グラファイトの3次元的ナノ構造制御技術の開発とその量子輸送現象の研究

2009 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 20686008
• Research Institution: National Institute for Materials Science
• Principal Investigator: 森山 悟士 National Institute for Materials Science, 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点, 独立研究者 (00415324)
• Keywords: グラフェン / ナノ微細加工 / 量子ドット / 2重結合量子ドット / 人工分子 / 単一電子輸送 / カーボンナノチューブ / 電子スピン

Research Abstract

本研究は,原子層一層からなる2次元グラファイト,またそれが円筒状に丸まったカーボンナノチューブ等の低次元グラファイト材料の構造を,3次元的に制御した中で量子輸送現象を調べる。即ち,低次元グラファイト材料をナノレベルで加工し,シートの幾何学的構造を制御することによつて,量子輸送現象における新機能の発現,量子効果ナノデバイス実現の可能性を探索する。前年度において単層2次元グラファイトであるグラフェンに対してコンタクトを取り,ナノ微細加工プロセスを用いて試料の形状をトップダウン加工によってナノレベルで構造を制御することに成功した。今年度は,作製した量子効果ナノデバイスである,グラフェン2重結合量子ドット素子の単一電子輸送特性を詳細に調べ,量子ドット中の電子を1個単位で制御する単一電子デバイス動作の実証と,2重結合量子ドットの形成を示す電荷安定図を観測し,ドット間の静電的,および量子力学的なトンネル結合の外部ゲート電極による制御に成功した。また,同じく低次元グラファイト材料であり,1次元伝導素子であるカーボンナノチューブを用いて量子ドット素子を作製し,ドット内の電子スピンの状態を反映した電子輸送特性を解析し,ドット内の電子スピン状態の変化をプローブすることに成功した。本研究によつて実現された,新カーボン材料による集積化ナノデバイス作製の基礎技術の開発と物理現象の解明は,ナノカーボン量子デバイスの分野において重要な基幹研究であり,今後の量子デバイス開発の進展につながると考えられる。

Research Products

• [Journal Article] Coupled quantum dots in a graphene-based two-dimensional semimetal (2009)
  • Author(s): Satoshi Moriyama, et al.
  • Journal Title: Nano Letters 9 Pages: 2891-2896
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Inelastic cotunneling mediated singlet-triplet transition in carbon nanotubes (2009)
  • Author(s): Satoshi Moriyama, et al.
  • Journal Title: Physical Review B 80 Pages: 033408
  • Peer Reviewed
• [Presentation] グラフェンナノ構造の単一電子輸送特性 (2010)
  • Author(s): 森山悟士, 津谷大樹, 渡辺英一郎, 宇治進也
  • Organizer: 日本物理学会第65回年次大会
  • Place of Presentation: 岡山
  • Year and Date: 20100320-20100323
• [Presentation] Quantum-dot devices in a graphene-based two-dimensional system (2010)
  • Author(s): S. Moriyama
  • Organizer: MANA International Symposium 2010
  • Place of Presentation: Tsukuba, Japan
  • Year and Date: 20100303-20100305
• [Presentation] グラフェンシートへの量子ドットの作製 (2010)
  • Author(s): 森山悟士
  • Organizer: Electronic Journal 第458回 Technical Seminar
  • Place of Presentation: 東京
  • Year and Date: 2010-02-23
• [Presentation] グラフェセ結合量子ドットにおけるクーロンプロッケイド効果の観測 (2009)
  • Author(s): 森山悟士, 他
  • Organizer: 日本物理学会2009年秋季大会
  • Place of Presentation: 熊本
  • Year and Date: 20090925-20090928
• [Presentation] グラフェン2重結合量子ドットの作製と単一電子輸送特性の観測 (2009)
  • Author(s): 森山悟士, 津谷大樹, 渡辺英一郎, 宇治進也, 清水麻希, 森貴洋, 山口智弘, 石橋幸治
  • Organizer: 2009年秋季第70回応用物理学会学術講演会
  • Place of Presentation: 富山
  • Year and Date: 20090908-20090911
• [Presentation] Double quantum-dot devices in triple-layer graphene (2009)
  • Author(s): 森山悟士, et al.
  • Organizer: MSS-14, The 14th International Conference on Modulated Semiconductor structures
  • Place of Presentation: Hyogo, Japan
  • Year and Date: 20090719-20090724
• [Presentation] A graphene-based double quantum dot device (2009)
  • Author(s): S. Moriyama, D. Tsuya, E. Watanabe, S. Uji, M. Shimizu, T. Mori, T. Yamaguchi, K. Ishibashi
  • Organizer: FNST2009, Frontiers in Nanoscale Science and Technology Workshop
  • Place of Presentation: Boston, USA
  • Year and Date: 20090529-20090531
• [Presentation] グラフェン等の新規カーボンナノ材料を用いた量子デバイス (2009)
  • Author(s): 森山悟士
  • Organizer: 九州大学先導物質化学研究所講演会
  • Place of Presentation: 福岡
  • Year and Date: 2009-08-20
• [Presentation] ナノカーボン材料の電気伝導と量子コヒーレンス―量子情報処理デバイスに向けて― (2009)
  • Author(s): 森山悟士
  • Organizer: 次世代スーパーコンピュータプロジェクトナノ分野グランドチャレンジ研究開発ナノ統合拠点物性科学WG連続研究会
  • Place of Presentation: 東京
  • Year and Date: 2009-06-30
• [Remarks] グラフェン2重結合量子ドットに関する研究成果(Satoshi Moriyama et al., Nano Letters 9, 2891-2896(2009).)が, 日刊工業新開(2009年7/31付), 日経産業新聞(2009年7/24付), 化学工業日報(2009年7/13付, 7/22付社説)等で紹介された