2021 Fiscal Year Research-status Report
Wave phonon engineering based on monolayer NEMS functionalized using sub-nanometer ion beam
| Project/Area Number |
20K20442
|
|---|
| Research Institution | Japan Advanced Institute of Science and Technology |
|---|
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)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
|
| 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 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
台形の宙吊りグラフェンチャネル構造において、下底長WBを1.2 umに固定し、上底長WUを0.4, 0.6, 0.8, 1.0 umと変化させたナノフォノニック素子を作製した。これによりフォノン進行方向に対して斜辺の角度が72度～22度と変化するため、チャネルの幾何学的非対称性とエッジ散乱の影響が変化すると考えた。リファレンスとして幅1.2 umの長方形チャネル構造も作製した。また、真性グラフェン中のフォノン平均自由行程～0.775 umに対して、チャネル長（台形高さL）を0.5 umに固定し、フォノン輸送が準弾道輸送となるように設計した。さらに、チャネル長0.5 um、幅1.2 umの長方形チャネルに、集束ヘリウムイオンビームミリング(HIBM)技術を用いて、直径5～6 nm, 孔間隔30 nmのナノメッシュをチャネル半面だけに形成した非対称ナノメッシュチャネル構造を作製した。
これらの非対称チャネルの両端に４端子電極を作製し、Differential Thermal Leakage計測法で電気伝導特性と熱伝導特性評価を実施した。まず全ての台形・ナノメッシュ構造に対して、電圧の極性を入れ替えても電気伝導特性に非対称性はみられないことを確認した。次に、基本となる長方形（対称）チャネルで、熱バイアスの極性を順・逆切り替えても熱伝導は変化しないことを見出した。その上で、台形チャネルに対する熱伝導を環境温度150 Kで評価したところ、WUが短くなるに従い熱整流度が徐々に大きくなる傾向を見出した。WU＝0.4 umのチャネルで得られた熱整流効率は最大で～95 %であった。一方、 非対称ナノメッシュチャネル構造においても、環境温度150 Kで熱整流効率～80%を観測した。いずれの非対称素子においても、環境温度の上昇とともに熱整流作用は小さくなり300 Kでは消失した。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
非対称ナノフォノニック構造においては、形状、質量、エッジ散乱／チャネル内散乱比など複数の非対称要因が同時に変化するため、今年度は台形・ナノメッシュ全てのチャネル構造においてチャネル長をフォノン平均自由行程よりも短く設計することで、フォノン伝導が準弾道的になるよう工夫を行った。その結果、台形チャネルでは上底／下底比の減少とともに熱整流効率が徐々に増大する傾向を明瞭に関するすることができた。またハーフメッシュ構造とも共通した長方形チャネルをリファレンスとすることで、台形・非対称メッシュ全てのチャネルでの測定データを系統的に比較することに成功した。
HIBM技術を用いて宙吊りグラフェン上に局所ナノメッシュを形成するプロセスにおいては、当初チャネルが破断する問題が発生した。試作を繰り返す中で、チャネルエッジ近傍にナノ孔を形成しないオフセット領域（幅～50 nm）を導入することで、この問題を回避できることを見出した。これによりハーフナノメッシュ構造の安定的作製を実現した。
素子の３端子化による新規熱トランジスタの開発においては、上述の理由から宙吊りグラフェンチャネルの長さを500 nmに固定したため、チャネル引張応力を印加できず熱伝導度の変調実現には至らなかった。しかし電気伝導特性に明瞭なアンビポーラ特性が得られたことから、観測している熱伝導現象に伝導キャリアがほとんど寄与しておらず、フォノン伝導が支配的であることを検証できたことは当初計画になかった成果である。一方、基本とする宙吊り長方形チャネル構造では、L ＞ 1 umのチャネル下部に局所ボトムゲートを設けた構造で、電圧によるチャネルのプルイン動作を確認しており、来年度の長チャネル非対称構造作製・評価のための基盤技術を構築できた。
|
| 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、台形型チャネル、非対称ナノメッシュチャネル両方に対して、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形状（エッジおよびナノ孔）を考慮した非平衡分子動力学(NEMD)シミュレーションを実施する。①においては、入射させるフォノンをモードごとに分解して伝搬現象を解析し、エッジ・ナノ孔散乱によるモードミキシングと局在モードが全体のフォノン伝搬に与える影響を評価する。②においては、ナノメッシュの寸法・形状を変化させながら、局所フォノン状態密度と温度分布の変化を評価することで、非平衡ヒートフォノン分布と熱整流作用との相関を解明する。
熱整流現象のメカニズム解明と制御においては、台形・非対称ナノメッシュ構造ともに、グラフェンのフォノン平均自由行程MFP～775 nmに対して、チャネル長L＞MFP、L＜MFPに変化させた数種の構造を設計・作製する。さらに、非対称ナノメッシュ構造では、チャネル長に対するナノメッシュ長の比を10 %～90%と変化させた構造を設計・作製し、熱整流効率の変化を系統的に評価する。また、熱整流素子の動作温度向上を目的として、①台形チャネル上に局所ナノメッシュを集積化する、②チャネル幅を～200 nm程度までナノリボン化することでフォノン局在性を高める、などの手法により熱整流作用増大を試みる。
素子の３端子化による新奇熱トランジスタの開発においては、局所ボトムゲートを設けたチャネル長L ＞ 1 umの素子を作製し、チャネルをNEMS動作させ、引張り応力印加による熱伝導特性の変調を評価する。
|
Research Products
(15 results)
-
-
-
-
-
[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
-
Journal Title
Carbon
Volume: 175
Pages: 87-92
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
