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

2015 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 25286021
• Research Institution: University of Tsukuba
• Principal Investigator: 神田 晶申 筑波大学, 数理物質系, 准教授 (30281637)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2016-03-31
• Keywords: グラフェン / 伝導ギャップ / バンドギャップ / 歪み効果 / 擬似磁場 / 電界効果トランジスタ

Outline of Annual Research Achievements

格子歪みを使ってグラフェンに伝導（バンド）ギャップを誘起する手法には、(I) 局所歪みで誘起される擬似磁場による電子のサイクロトロン運動を用いる方法、(II) 周期歪みによるバンド変調による方法の２通りがある。今年度は両手法について実験を行った。
１）前年度までの研究で、（I）を実現するためにはキャリアの平均自由行程の増大、歪みの空間変化量の増大が必要であることがわかっている。そのための方法として、対称的な表面凹凸のある１対のhBN薄片でグラフェンを挟み込んで歪みを導入する方法を開発した。ここでは、微細加工を施した４枚のhBN膜と１枚のグラフェンを乾式転写法によって精密に積層させる。顕微ラマン分光では、約0.1％の局所歪みが確認され、伝導測定においては、最小コンダクタンスの温度依存性にて、3.2meVのエネルギーギャップが確認された。この大きさは、歪み量から見積もった値と一致する。
２）(II)を実現するためにはグラフェンに電極を形成した後に歪みを導入する必要があることが前年度の研究でわかっている。そのための手法として、レジストでできた厚板に貼り付けたグラフェンを周期凹凸構造のある基板上に配置し、電極を形成したのちに厚板を除去して基板の凹凸に対応した歪みを導入する、という方法を考案した。この方法で作製した周期0.6ミクロンの周期歪みを持つグラフェンでは、最小コンダクタンスの温度依存性、電流電圧特性において2.4meVのバンドギャップを観測した。
このように、２通りの手法によって、グラフェン電界効果トランジスタ構造における歪み誘起伝導ギャップの観測に世界で初めて成功した。現在、(I)(II)について、ギャップを飛躍的に増大させるための手法を開発している。

Research Progress Status

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Causes of Carryover

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Expenditure Plan for Carryover Budget

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Presentation] Semiconducting Electron Transport in Graphene Induced by Periodic Uniaxial Strain (2016)
  • Author(s): Rineka Hiraide, Hiroki Sonoda, Shoma Higuchi, Hikari Tomori, Akinobu Kanda
  • Organizer: Seventeenth International Conference on the Science and Application of Nanotubes and Low-dimensional Materials
  • Place of Presentation: University of Vienna (Austria)
  • Year and Date: 2016-08-07 – 2016-08-13
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Introducing Uniaxial Local Strain to Graphene Encapsulated with hBN (2016)
  • Author(s): Hikari Tomori, Rineka Hiraide, Youiti Ootuka, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, and Akinobu Kanda
  • Organizer: Seventeenth International Conference on the Science and Application of Nanotubes and Low-dimensional Materials
  • Place of Presentation: University of Vienna (Austria)
  • Year and Date: 2016-08-07 – 2016-08-13
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Strain-induced Semiconducting Electron Transport in Graphene Field Effect Devices (2016)
  • Author(s): Shoma Higuchi, Hiroki Rineka Hiraide, Hiroki Sonoda, Shoma Higuchi, Hikari Tomori, Akinobu Kanda
  • Organizer: The 43rd International Symposium on Compound Semiconductors (ISCS)
  • Place of Presentation: 富山国際会議場(富山県富山市）
  • Year and Date: 2016-06-27 – 2016-06-30
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Introducing Uniaxial Local Strain to Graphene Encapsulated with hBN (2016)
  • Author(s): Hikari Tomori, Rineka Hiraide, Youiti Ootuka, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, and Akinobu Kanda
  • Organizer: The 43rd International Symposium on Compound Semiconductors (ISCS)
  • Place of Presentation: 富山国際会議場(富山県富山市）
  • Year and Date: 2016-06-27 – 2016-06-30
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Introducing lattice strain to graphene encapsulated in hBN (2016)
  • Author(s): H. Tomori, R. Hiraide, Y. Ootuka, K. Watanabe, T. Taniguchi, A. Kanda
  • Organizer: APS March Meeting 2016
  • Place of Presentation: Baltimore Convention Center (USA)
  • Year and Date: 2016-03-14 – 2016-03-18
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Electron Transport in Densely-Packed Graphene Nanoribbons Formed on a CorrugatedSiC Surface (2015)
  • Author(s): H. Tanaka, K. Fukuma, K. Morita, S. Hayashi, T. Kajiwara, A. Visikovskiy, S. Tanaka, A. Kanda
  • Organizer: International Symposium on Advanced Nanodevices and Nanotechnology (ISANN 2015)
  • Place of Presentation: Hilton Waikoloa Village (USA)
  • Year and Date: 2015-11-29 – 2015-12-04
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Inducing Strain to Encapsulated Graphene (2015)
  • Author(s): H. Tomori, R. Hiraide, Y. Ootuka, K. Watanabe, H. Taniguchi, A. Kanda
  • Organizer: International Symposium on Advanced Nanodevices and Nanotechnology (ISANN 2015)
  • Place of Presentation: Hilton Waikoloa Village (USA)
  • Year and Date: 2015-11-29 – 2015-12-04
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Inducing Strain to Encapsulated Graphene (2015)
  • Author(s): H. Tomori, R. Hiraide, Y. Ootuka, K. Watanabe, H. Taniguchi and A. Kanda
  • Organizer: 28th International Microprocesses and Nanotechnology Conference
  • Place of Presentation: 富山国際会議場(富山県富山市）
  • Year and Date: 2015-11-10 – 2015-11-13
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] SiC傾斜面に形成されたグラフェンナノリボンの電気伝導 (2015)
  • Author(s): 田中宏和, 福間洸平, 森田康平, 林真吾, 梶原隆司, A. Visikovskiy, 田中悟, 神田晶申
  • Organizer: 日本物理学会2015年秋季大会
  • Place of Presentation: 関西大学千里山キャンパス(大阪府吹田市）
  • Year and Date: 2015-09-16 – 2015-09-19
• [Presentation] レジストナノ構造への転写によってひずみを導入したグラフェンの電気伝導 (2015)
  • Author(s): 平出璃音可, 友利ひかり, 大塚洋一, 神田晶申
  • Organizer: 日本物理学会2015年秋季大会
  • Place of Presentation: 関西大学千里山キャンパス(大阪府吹田市）
  • Year and Date: 2015-09-16 – 2015-09-19
• [Presentation] BN上グラフェンへの局所1軸ひずみ導入法の開発 (2015)
  • Author(s): 友利ひかり, 平出璃音可, 大塚洋一, 林正彦, 吉岡英生, 渡辺賢司, 谷口尚, 神田晶申
  • Organizer: 日本物理学会2015年秋季大会
  • Place of Presentation: 関西大学千里山キャンパス(大阪府吹田市）
  • Year and Date: 2015-09-16 – 2015-09-19
• [Presentation] SiCファセット上のグラフェン横方向超格子の形成と物性（１） (2015)
  • Author(s): 田中悟、福間洸平、林真吾、梶原隆司、Visikovskiy Anton1、飯盛拓嗣、家永紘一郎、矢治光一郎、中辻寛、小森文夫、田中宏和、神田晶申、Cuong Nguyen Thanh、岡田晋
  • Organizer: 第７６回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 名古屋国際会議場(愛知県名古屋市)
  • Year and Date: 2015-09-13 – 2015-09-16
• [Presentation] SiCファセット上のグラフェン横方向超格子の形成と物性（2） (2015)
  • Author(s): 福間洸平、林真吾、梶原隆司、Visikovskiy Anton、田中悟、飯盛拓嗣、家永紘一郎、矢治光一郎、中辻寛、小森文夫、田中宏和、神田晶申、Cuong Nguyen Thanh、岡田晋
  • Organizer: 第７６回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 名古屋国際会議場(愛知県名古屋市)
  • Year and Date: 2015-09-13 – 2015-09-16
• [Presentation] Formation of Graphene with Controlled Uniaxial Local Strain and Its Electron Transport (2015)
  • Author(s): R. Hiraide, H. Tomori, Y. Ootuka, and A. Kanda
  • Organizer: 21st International Conference on Electronic Properties of Two-Dimensional Systems
  • Place of Presentation: Sendai International Center(宮城県仙台市）
  • Year and Date: 2015-07-27 – 2015-07-31
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Electron Transport in Graphene Nanoribbons Placed on a Corrugated SiC Surface (2015)
  • Author(s): H. Tanaka, K. Fukuma, K. Morita, S. Hayashi, T. Kajiwara, A. Visikovskiy, T. Iimori, K. Ienaga, K. Yaji, K. Nakatsuji, F. Komori, N. T. Cuong, S. Okada, S. Tanaka, and A. Kanda
  • Organizer: 21st International Conference on Electronic Properties of Two-Dimensional Systems
  • Place of Presentation: Sendai International Center(宮城県仙台市）
  • Year and Date: 2015-07-27 – 2015-07-31
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Quasi-one-dimensional graphene nanostructure on corrugated SiC surfaces (2015)
  • Author(s): S. Tanaka, K. Fukuma, K. Morita, S. Hayashi, T. Kajiwara, A. Visikovskiy, T. Iimori, K. Ienaga, K. Yaji, K. Nakatsuji, F. Komori, H. Tanaka, A. Kanda, N. T. Cuong, and S. Okada
  • Organizer: 17th International Conference on Modulated Semiconductor Structures
  • Place of Presentation: Sendai International Center(宮城県仙台市）
  • Year and Date: 2015-07-27 – 2015-07-31
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 電子デバイス応用に向けたグラフェン研究の最近の進展 (2015)
  • Author(s): 神田晶申
  • Organizer: 平成27年度TIMS研究交流会
  • Place of Presentation: 筑波大学(茨城県つくば市)
  • Year and Date: 2015-07-24
  • Invited
• [Presentation] Semiconducting characteristics in self-ordered quasi-one dimensional graphene lateral superlattice (2015)
  • Author(s): S. Tanaka, K. Fukuma, K. Morita, S. Hayashi, T. Kajiwara, A. Visikovskiy, T. Iimori, K. Ienaga, K. Yaji, K. Nakatsuji, F. Komori, H. Tanaka, A. Kanda, N. T. Cuong, and S. Okada
  • Organizer: The Sixteenth International Conference on the Science and Application of Nanotubes (NT15)
  • Place of Presentation: Nagoya University (愛知県名古屋市)
  • Year and Date: 2015-06-29 – 2015-07-03
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Electron transport in graphene with one-dimensional local strain (2015)
  • Author(s): Hikari Tomori, Rineka Hiraide, Hirokazu Tanaka, Yu Ito, Kenta Katakura, Yoiti Ootuka, Akinobu Kanda
  • Organizer: Graphene Week 2015
  • Place of Presentation: University Place, University of Manchester (UK)
  • Year and Date: 2015-06-22 – 2015-06-26
  • Int'l Joint Research