2014 Fiscal Year Annual Research Report
歪み誘起ゲージ場を用いたグラフェンのエネルギーギャップの生成と制御
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25286021
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| Research Institution | University of Tsukuba |
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Principal Investigator |
神田 晶申 筑波大学, 数理物質系, 准教授 (30281637)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | ナノ材料 / グラフェン / 電界効果トランジスタ / 格子ひずみ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
１）昨年度の研究において観測された、「局所1軸ひずみのあるグラフェン」における電気伝導の変調は歪み誘起スカラーポテンシャルが原因であることを、ひずみの空間分布を考慮した数値シミュレーションによって示した。
２）昨年度の実験において伝導ギャップが見られないのは、平均自由行程がひずみの空間変化の特徴的な長さに比べて短いことに起因すると考え、平均自由行程を伸ばし、ひずみの空間変化を集中化させるために、幅が変化する架橋グラフェンに張力を加えるような試料構造を考案し、実際に作製した。さらに、連携研究者の協力のもと、上記架橋グラフェン試料における応力分布を計算した。
３）平均自由行程が短くなる原因のひとつに、ひずみ誘起に用いるレジストナノ構造の形成時の電子線照射がある。電子線照射量が少なくてすむレジスト系を検討し、従来の100分の１の電子線量でレジストナノ構造を形成することに成功した。
４）我々のひずみ導入法（基板上にグラフェンを形成した後に基板に凹凸をつけて歪みを導入する）が一般に行われている手法（凹凸のある基板上にグラフェンを転写する）と比較し、前者においてひずみ量が格段に大きくなることをラマン２Dバンドのシフト量から示した。
５）新しいひずみ導入系として、SiC表面に形成された周期階段構造上に形成されたグラフェンナノリボン(GNR)に電極を形成し、電気伝導を測定した。その結果、最大0.2 eVに達するバンドギャップを観測した。この値は、リボン幅から予測されるものよりもはるかに大きく、周期ポテンシャル変調やひずみがギャップ形成に寄与している可能性がある。また、抵抗の温度依存は、従来のGNRで見られるものよりもはるかに弱く、シームレスなーボンナノチューブに類似していることを明らかにした。これは、グラフェンエッジによる散乱が抑制されていることを示唆している。現在、これらの原因を検討している。
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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
１）昨年度の研究において観測された、「局所1軸ひずみのあるグラフェン」における電気伝導の変調（見かけの電子・ホール伝導の非対称性）はひずみ誘起スカラーポテンシャルが原因であることを、昨年度の対照実験に引き続き、今年度の数値シミュレーションによって示すことができた。これにより、ひずみが電気伝導に与える影響のひとつを、初めて明確に示すことができたと考える。
２）我々独自の方法である、基板上にグラフェンを形成した後に基板に凹凸をつけて歪みを導入する手法と、一般に行われている、凹凸のある基板上にグラフェンを転写する場合と比較し、前者においてひずみ量が格段に大きくなることを示したことから、我々の方針が正しいことが証明された。
３）伝導ギャップを実現するために必要な、平均自由行程とひずみの空間変化量の増大のための方法として、幅が変化する架橋グラフェンに張力を加えるような試料構造を考案した。これは、年度初めに計画した方法よりもはるかに優れており、予想以上に研究が進展している。
４）新しいひずみ導入系として実験を開始した、SiC周期階段構造上に形成されたグラフェンナノリボンでは、伝導ギャップのみならず、シームレスなカーボンナノチューブに匹敵する伝導特性（抵抗の温度依存性）を観測している。これは、電気伝導がエッジの影響を受けていないことを示唆しており、グラフェン端が連続的にSiC上６R3構造（絶縁体）に変化する特徴的な構造を反映して、従来のナノリボンとは全く異なる、新規ナノカーボン構造が実現しているものと考えており、今後の発展が期待される。
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| Strategy for Future Research Activity |
１）幅が変化する架橋グラフェンに張力を印加する試料構造における、応力、擬似磁場、コンダクタンスのシミュレーションと、試料作製・電気伝導測定を行い、1軸局所ひずみによる伝導ギャップ形成を検証する。
２）同時に、グラフェンへの効率的なひずみ導入法の開発を行う。転写法を応用した方法を現在検討している。
３）ひずみを導入したグラフェンに対して、偏光ラマン分光を行い、ひずみ方向を決定する手法を開発する。
４）ナノプローバーを利用して、単一グラフェン試料において、電気伝導のひずみ量依存性を測定する。ナノプローバーは、文科省ナノテクプラットフォーム事業の装置を利用する。
５）SiC表面に形成された周期階段構造上に形成されたグラフェンナノリボン(GNR)について、他の研究者の協力を得ながら、伝導機構を解明する。STM、 AFM、 ARPES、 Raman、LEED、 RHEEDと電気伝導、数値シミュレーションを用いる予定である。
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| Causes of Carryover |
博士研究員１名分の人件費として当初200万円を計上していたが、年度途中（9月末）でその研究員が退職し、引き続き、科学技術振興機構さきがけ専任研究員として研究室に残って研究を続けることとなった。そのために、半年分の人件費約100万円が残った。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
本年度の人件費の捻出のために一部研究計画を変更していたが、それを元に戻し、グラフェンのひずみ方向を検出するための、偏光ラマン分光機構の導入に使用する。
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