2019 Fiscal Year Annual Research Report
Extraordinary plasmon instabilities in graphene Dirac Fermions and their terahertz functional device applications
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18H05331
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
尾辻 泰一 東北大学, 電気通信研究所, 教授 (40315172)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
岩月 勝美 東北大学, 電気通信研究機構, 特任教授 (00590522)
佐藤 昭 東北大学, 電気通信研究所, 准教授 (70510410)
渡辺 隆之 東北大学, 電気通信研究所, 助教 (80771807)
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| Project Period (FY) |
2018-06-29 – 2022-03-31
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| Keywords | グラフェン / プラズモン / 不安定性 / テラヘルツ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
グラフェンプラズモン異常不安定性の学理の解明を第一，その物理を原理とする室温動作可能なテラヘルツ増幅・光-テラヘルツ波周波数変換素子の創出を第二の目的としする。以下の成果を得た。
1. 非対称二重回折格子ゲート型グラフェントランジスタを，独自に開発したエピタキシャルグラフェン製膜，グラフェン・窒化ホウ素剥離転写，グラフェンチャネルゲートスタック等のプロセス技術を駆使して設計・試作した[前年度からの継続課題，担当：尾辻泰一，渡辺隆之（研究分担者），吹留博一（研究協力者）]．
2. デバイスモデリングは，グラフェン電子正孔のクーロン相互作用に伴う多体効果をキャリア自己エネルギーとして記述し，ランダム位相近似およびGWA法により線形バンド分散の崩れ（ブロードニングと非線形性）を伴うグラフェンプラズモンを2.5次元に次元拡張して定式化し，ポアッソン方程式と連立して自己無撞着に数値解析した[前年度からの継続発展課題，担当：尾辻泰一，佐藤昭（研究分担者）]．
3. テラヘルツ帯の自励発振現象は研究代表者所有のフーリエ変換遠赤外分光計測装置を，増幅現象は，研究代表者所有のテラヘルツ時間分解分光計測装置を用いてそれぞれ測定・評価した[前年度からの継続課題，担当：尾辻泰一，渡辺隆之（研究分担者）]．
4. 実動作状態下におけるナノ領域のプラズモンダイナミクスの観測は，放射光施設Spring-8を利用したオペランド時間分解顕微分光計測装置[T. Someya, H. Fukidome et al., Phys. Rev. B 95, 165303 (2017)]を利用して実施した[前年度からの継続課題，担当：尾辻泰一，吹留博一（研究協力者）]．
5. 第二の目的の計画遂行のための，調査研究・実験系構築を進めた[前年度からの継続課題，担当：尾辻泰一，岩月勝美（研究分担者）]．
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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
・プラズモン異常不安定性の発現の根拠となるドリフト速度がプラズマ速度を超越する条件が実動作条件下で得られるか否かという本研究課題の核心に迫る実験を遂行し，これまで明確には認識されていなかったキャリア運動量緩和時間の周波数分散（レッドシフト）効果を発見した．実験ではテラヘルツ周波数帯のキャリア運動量緩和時間は直流動作時のそれに比して一桁短く，これは，キャリアのドリフト速度が一般常識に比して一桁遅いことを意味し，チェレンコフ（プラズモニックブーム）型の不安定性は発現し得ないことを意味する．得られたテラヘルツ帯増幅現象は，従来理論では，Dyakonov-Shurモデルによるドップラーシフト効果，もしくはRyzhii-Satou-Shurモデルによる速度変調効果，あるいはそれらの重畳に起因することとして説明されるものの，これらの不安定性によって室温下で9%という（グラフェン単層からの）巨大利得を獲得できたことは，驚きに値し，定量的な説明は得られなかった．この問題に果敢に挑み，新たな物理モデルを構築してテラヘルツ帯複素光学導電率の挙動を詳細に検討した結果，プラズモンで変調された光学導電率の実部と虚部の位相関係が一定条件を満たすときに巨大利得増強作用が得られること，その実現には電子ドリフト速度がプラズモン速度を超越するチェレンコフ条件を必要とせず，新たな物理が内在することを発見した．
・本成果は，プラズモン不安定性発現機構の制御性を明らかにし，テラヘルツ帯コヒーレント発振源としての能力を定量的に明らかにしてゆくための礎となるとともに，かかる新たな物理現象をデバイスの設計論として工学的に実装することを可能にするものであり，学術的に極めて有益な知見である．
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| Strategy for Future Research Activity |
1. 非対称二重回折格子ゲート型グラフェントランジスタを研究代表者らが独自に開発してきたエピタキシャルグラフェン製膜，グラフェン・窒化ホウ素剥離転写，グラフェンチャネルゲートスタック等のプロセス技術を駆使し，素子の設計・試作を実施する[前年度からの継続課題，担当：尾辻泰一，渡辺隆之（研究分担者），吹留博一（研究協力者）]．
2. デバイスモデリングは，グラフェン電子正孔のクーロン相互作用に伴う多体効果をキャリア自己エネルギーとして記述し，ランダム位相近似およびGWA法により線形バンド分散の崩れ（ブロードニングと非線形性）を伴うグラフェンプラズモンを2.5次元に次元拡張して定式化し，ポアッソン方程式と連立して自己無撞着に数値解析する[前年度からの継続発展課題，担当：尾辻泰一，佐藤昭（研究分担者）]．
3. テラヘルツ帯の自励発振現象は研究代表者所有のフーリエ変換遠赤外分光計測装置を，増幅現象は，研究代表者所有のテラヘルツ時間分解分光計測装置を用いてそれぞれ測定・評価する[前年度からの継続課題，担当：尾辻泰一，渡辺隆之（研究分担者）]．
4. 実動作状態下におけるナノ領域のプラズモンダイナミクスの観測は，放射光施設Spring-8を利用したオペランド時間分解顕微分光計測装置[T. Someya, H. Fukidome et al., Phys. Rev. B 95, 165303 (2017)]を利用する[前年度からの継続課題，担当：尾辻泰一，吹留博一（研究協力者）]．
5. グラフェンプラズモン異常不安定性を新原理として導入したテラヘルツ増幅素子および光・テラヘルツ波周波数変換・増幅素子を設計試作評価し，従来技術に対する量子効率改善効果を定量的に明らかにする[担当：尾辻泰一，岩月勝美（研究分担者）]．
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[Journal Article] Terahertz Light Amplification and Lasing in Current-Driven Graphene-Channel Transistor Structures2019
Author(s)
S. Boubanga-Tombet, D. Yadav, A. Satou, W. Knap, V.V. Popov, and T. Otsuji
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Journal Title
2D MATERIALS 2019 - International Congress on Graphene, 2D Materials and Applications Abstracts, Sochi Olympic Park, Sochi, Russia, 30th Sept.- 04th Oct.
Volume: 1
Pages: 1-2
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Terahertz plasmonic graphene-channel transistor laser2019
Author(s)
Y. Fuse, A. A. Dubinov, T. Watanabe, V. Ya. Aleshkin, S. V. Morozov, A. Satou, V. Ryzhii, and T. Otsuji
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Journal Title
MTSA2019: 5th International Symposium on Microwave/Terahertz Science and Applications Abstracts, Hanwha Resorts Haeundae Tivoli, Busan, Korea, Sept. 30-Oct. 3
Volume: 1
Pages: Ap2_4
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Terahertz light amplification of stimulated emission of radiation in current-injection graphene channel transistor (Invited)2019
Author(s)
T. Otsuji , S. Boubanga-Tombet, D. Yadav, T. Watanabe, A. Satou, and V. Ryzhii
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Journal Title
Proc. SPIE [SPIE Int. Conf. Defence+ Commercial Sensing, Conf.-10982 on Micro- and Nanotechnol. Sens., Sys., Appl. XI, Baltimore, Maryland, USA, April 14-18]
Volume: 10982
Pages: 109822V-1-6
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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[Presentation] Terahertz plasmonic graphene-channel transistor laser2019
Author(s)
Y. Fuse, A. A. Dubinov, T. Watanabe, V. Ya. Aleshkin, S. V. Morozov, A. Satou, V. Ryzhii, and T. Otsuji
Organizer
MTSA2019: 5th Int. Symp. on Microwave/Terahertz Sci. and Appl., Busan, Korea, Sept. 30-Oct. 3
Int'l Joint Research
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[Presentation] Terahertz light amplification of stimulated emission of radiation in current-injection graphene channel transistor (Invited)2019
Author(s)
T. Otsuji , S. Boubanga-Tombet, D. Yadav, T. Watanabe, A. Satou, and V. Ryzhii
Organizer
SPIE Int. Conf. Defence+ Commercial Sensing, Conf.-10982 on Micro- and Nanotechnol. Sens., Sys., Appl. XI, Baltimore, MD, USA, April 14-18
Int'l Joint Research / Invited
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