2023 Fiscal Year Research-status Report
バレースピン制御とデバイス応用：バレートロニクスに向けた課題と挑戦
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22K18986
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
松田 一成 京都大学, エネルギー理工学研究所, 教授 (40311435)
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| Project Period (FY) |
2022-06-30 – 2025-03-31
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| Keywords | 原子層半導体 / バレートロニクス / バレースピン分極 / 励起子 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、バレートロニクスに向けて打破が必要な技術的な困難を克服する方策として、異なる単層MX2（M=Mo, W, X=S, Se)をファンデルワールス力で積層したヘテロ構造(MoSe2/WSe2, WS2/WSe2)での特異なバレースピン分極状態を利用する事を着想し研究を進めた。これまでの研究から、バレースピン励起子（電子-ホール対）の電子-ホール（クーロン）交換相互作用が、分極緩和を引き起こす事がわかっており、その知見を利活用する。特に、電子とホールが空間的に分離し弱束縛した、ヘテロ構造（MoSe2/WSe2）での層間バレースピン励起子（荷電励起子）がこのような目的には最適ではないかと考えた。具体的な実験項目と成果は以下の通りである。
1）高品質ヘテロ構造（MoSe2/WSe2など）作製のために、乾式転写法とフォトリソグラフィ技術とを高度化し、狙った位置にグラフェン電極を施した電界効果トランジスタデバイスを作製が可能とした。これにより、ゲート電圧によるキャリア濃度変調における、より精度の高い光学実験が可能となった。
2）円偏光励起によるバレースピン分極の選択生成と光検出を行う実験セットアップを用いて、絶縁層を挟んだヘテロ構造（MoSe2/h-BN/WSe2など）において、2次元自由層間励起子が関与したバレースピン分極に起因する円偏光発光を観測することに成功した。さらに、時間分解測定から、そのバレースピン分極のダイナミクスの実験を行い、極めて長いバレースピン緩和時間を得ることに成功した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本年度は、バレートロニクスに向けて重要なバレースピン分極の観測に必要となるデバイス構造を施した、二次元半導体ヘテロ構造の高度化を進めるた。さらに、励起子ポテンシャルを変調するために、意図的に絶縁層を挟んだヘテロ構造を作製し、2次元自由層間励起子からのバレースピン分極に起因する円偏光の観測できた事に加え、極めて長いバレースピン分極時間を得ることに成功した。また、実験的な観測のみならず、バレースピン分極の緩和ダイナミクスなどに関する物理の理解が進みつつあり、上記の判断に至った。
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| Strategy for Future Research Activity |
来年度以降、本年度研究が進展した絶縁層を挟み込んだヘテロ構造（MoSe2/h-BN/WSe2）を対象として、ゲート変調によりキャリア濃度可変を通して、電子-ホール（クーロン）交換相互作用を制御した系においても研究を進め、さらに長いバレー分極時間が可能であるかどうかを検証する。
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| Causes of Carryover |
長いバレー緩和時間を測定するための測定セットアップとして光学実験系の改良と高度化が、既存の物品をベースにセットアップする事が可能である事が判明したため。そこでの結果を基に、さらなる改良と高度化を進める予定である。
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