2020 Fiscal Year Research-status Report
Wave phonon engineering based on monolayer NEMS functionalized using sub-nanometer ion beam
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20K20442
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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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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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | NEMS / グラフェン / ナノイオンビーム / 波動性フォノン / 熱ダイオード / 熱トランジスタ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ナノフォノニック構造の設計・作製においては、熱伝導方向にチャネル幅を変化させた台形の宙吊りグラフェンチャネルと、リファレンスとして長方形チャネルからなる素子を作製した。チャネル長は1.5 umとし、台形の上底長W1を1.2 umで固定、下底長W2を1.2 um～0.225 umと設計することで、チャネル構造の幾何学的非対称性を変化させた。真性グラフェン中のフォノンの平均自由行程が～0.775 umであることから、この台形チャネル内でのフォノン輸送は、台形チャネルエッジでの散乱とウムクラッププロセス散乱を数回程度受ける準バリスティック輸送となることを想定した。
この非対称グラフェンチャネルの両端にオーミック接続する４端子電極を作製し、独自のDifferential Thermal Leakage計測法を用いることで、同一素子を用いた電気伝導特性と熱伝導特性評価を実現した。その結果、長方形（対称）チャネルでは、熱バイアスの極性を順・逆切り替えてもチャネルの熱伝導に変化は見られないのに対し、W2 = 0.225 um台形チャネルでは、チャネル幅の広い方に熱源を置いた際に熱伝導が高くなる整流作用が観測された。環境温度150 Kにおいて得られた熱整流効率は最大34%であった。チャネルの非対称性を更に大きくして熱整流効率の向上を図る目的で、台形チャネルの上底辺近傍に集束ヘリウムイオンビームでナノ孔を形成する予備実験も行った。
革新的熱機能素子の開拓においては、宙吊りナノフォノニック構造チャネルに対して、その下部にアクチュエーション電極を設けたボトムゲート型と、上部に電極を設けた上部ゲート型３端子素子の作製プロセス改善を図った。グラフェンチャネルを金属電極で挟むサンドイッチ型コンタクトとすることで、電界印加による引っ張り応力に対する素子の安定性向上を図ることに成功した。
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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
ナノフォノニック機能構造の設計・作製・評価においては、準バリスティックフォノン伝導に対するチャネルの幾何学的非対称性の効果を早期に解明するために、グラフェンの平均自由行程の２倍程度のチャネル長を有する長方形と台形状のチャネル構造を考案・作製した。幾何学的に対称な長方形チャネルでは電気・熱伝導ともに整流作用が生じないのに対し、台形チャネルでは明瞭な熱整流性が観測されたことから、斜めチャネルエッジでのフォノン散乱が熱整流現象の一因であることを見出した点は当初計画にはなかった成果である。また、この非対称チャネル上に、集束ヘリウムイオンビームミリングで局所的にナノ孔を追加形成する予備実験に成功した点も当初の計画を上回る進展である。
新奇３端子熱機能素子の開発においては、宙吊りグラフェン梁両端のクランピングが不十分でグラフェンがたわんでしまう問題が発生した。しかし、グラフェン振動子センサプロジェクトにおいて開発した、２層金属電極でグラフェン膜を挟むサンドイッチ型コンタクト作製プロセスを採用することで問題を速やかに解決した。これにより、ボトムゲート型、トップゲート型両方の３端子熱機能素子の基本構造作製を計画通り進めることができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
波動性ナノフォノニック機能構造の設計・評価においては、①３次元有限要素法による連続体近似シミュレーションと、②原子スケールでナノ孔形状を考慮した高精度フォノンシミュレーションを併用して、幾何学的非対称チャネル構造および局所GPnC導入構造での熱フォノン伝導特性を詳細に解析する。②については、非平衡分子動力学(NEMD)シミュレーションと非平衡グリーン関数法(NEGF)シミュレーションによる大規模フォノン伝導計算を実施する。特に、斜めチャネルエッジによるフォノン散乱の影響と、局所GPnC導入によるフォノン状態密度スペクトルとフォノン群速度分布の変化を明らかにする。
熱整流現象のメカニズム解明と制御においては、R2年度に作製した幾何学的非対称チャネル構造に加えて、ナノ孔アレイの周期性を完全に保った２つの並列GPnCの間に形成した‘完全フォノン導波路’を作製する。この２つのチャネル構造中に、集束ヘリウムイオンビームにより局所GPnC構造を導入する。特に、局所GPnC構造のチャネル方向長さを変化させた素子を作製し、GPnC長さ／チャネル全体長さの比と測定される熱整流効率の相関を明らかにする。また、真性グラフェンにおけるフォノンの平均自由行程MFP～775 nmに対して、チャネル長L << MFPとMFP < Lのマルチスケールチャネルを作製する。特に、L～数umの長チャネル構造では、犠牲層エッチングプロセスでのグラフェン梁の破損が懸念されるため、エッチング液、洗浄液の入れ替えをモーターで制御してグラフェン梁への負担を最小限にとどめるとともに、超臨界乾燥プロセスにより残留液の表面張力の影響を抑制する。これらのマルチスケール非対称構造における熱整流現象を詳細に解析し、フォノン伝導における波動性⇔粒子性の競合について検討を行う。
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Research Products
(15 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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