2014 Fiscal Year Research-status Report
イオン液体微小ゲートを用いたグラフェンの新規伝導現象の解明
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26400361
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| Research Institution | Okayama University |
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Principal Investigator |
後藤 秀徳 岡山大学, 自然科学研究科, 助教 (90322669)
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2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | グラフェン / イオン液体 / 電気二重層 / 分子エレクトロニクス / 電子移動 / 量子キャパシタンス / メゾスコピック系物理 / ナノテクノロジー |
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| Outline of Annual Research Achievements |
グラフェンに高濃度のキャリアを蓄積させることにより、カイラル超伝導など未知の秩序状態が形成される可能性が指摘されている。イオン液体・グラフェン間で形成される電気二重層キャパシタを用いた電界効果は、高濃度のキャリア蓄積を実現する方法のひとつである。しかし、これまでの研究により、イオン液体ゲートのみではその現象を実現できる高濃度のキャリア蓄積が困難であることが明らかになった。そこで、これを補充する手段として、電子受容性/供与性分子をグラフェンへ吸着させることで、高濃度のホール/電子蓄積が実現できないかを調べた。従来、個々の原子あるいは分子とグラフェン間の電子移動過程については盛んに研究されてきたが、キャリア蓄積量が何によって決定されるかという問いに対する一般的な解答は無かった。我々は、分子の大きさ、置換基、対称性、酸化還元電位が異なる多数の分子をグラフェン上に蒸着し、その場で伝導測定を行うことにより、グラフェンへのキャリア蓄積過程を系統的かつ定量的に調べた。
その結果、グラフェンと分子間の電子移動はグラフェンのフェルミエネルギーと電子受容性分子のLUMO準位（あるいは電子供与性分子のHOMO準位）の大小で決定され、分子の大きさや対称性等の相違は有意には効かないことがわかった。また、グラフェンの状態密度を考慮した簡単なモデル計算をおこない、グラフェン/分子間の電子移動がグラフェンのフェルミエネルギーを大きく変化させ、さらなる電子移動を妨げることを示した。分子が蓄積できる最大キャリア濃度は使用分子の酸化還元電位により評価可能である。本研究結果はWiley-VCH社のAdv. Electron. Mater.誌に掲載を受理された。
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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
イオン液体ゲートの特徴として、(1)高濃度のキャリア蓄積が可能である、(2)微小領域にゲート電圧を印加できる、の２点を研究提案書に挙げた。当初の研究計画では(2)の特徴を利用した、イオン液体微小ゲートを用いたグラフェンの新規伝導現象の研究を進める予定であったが、これまでの研究を継続、発展させるため、本年度は(1)に関わるグラフェンにおける高濃度キャリア蓄積の可能性を追求した。
本研究は、吸着物質とグラフェン間の電荷移動の原理を明らかにし、どのような原子・分子をグラフェンに吸着させれば、より効率的に電荷移動ができるかという問題を解決し、それらが蓄積できる最大のキャリア量を評価する方法を見出した。この結果はグラフェンにおける高濃度キャリア蓄積とそれによる新規物性の発現に向けた第一歩であると言える。また、分子センサーや、分子エレクトロニクスへのグラフェンの応用に対しても、本研究の意義は大きい。
また、ここで得られた結果はグラフェンに限らず、あらゆる物質と吸着物に対しても一般的に成り立つ普遍的な法則である。グラフェンへの電界効果および分子吸着に関する一連の研究によって、グラフェンや半導体など状態密度が小さい系へのキャリア蓄積が本質的に困難であることが明らかになった。しかし、得られた知見を考慮してこの問題を解決し、イオン液体ゲートを用いてグラフェン以外の２次元層状半導体にキャリア蓄積することに成功している。次のステップとして、キャリア蓄積による相転移など新規な電子物性の観測を目指して研究を進めている。
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| Strategy for Future Research Activity |
前項で挙げたイオン液体ゲートの特徴(2)を利用して、微小ゲートによるグラフェンの電気伝導の研究をおこなう。グラフェンの伝導電子の平均自由行程は数十nm程度であるので、グラフェンの伝用して、まず、通常の固体誘電体とイ導を制御するためにはこのサイズと同等以下のゲート構造作製が必要である。本年度より岡山大学の共同利用機器として電子線描画装置が導入され、所属機関内においてこのような微小構造の作製が可能となった。イオン液体が原理的にイオンサイズの微小領域まで侵入できること、また、電気二重層の厚さが1 nm以下と極めて小さいことを考えると、イオン液体ゲートによってグラフェンのポテンシャルエネルギーを微小領域で急峻に変化できることが期待できる。これを利オン液体との二重ゲート構造でpn接合を作製し、グラフェン特有の電子散乱過程を実験的にとらえることを試みる。イオン液体ゲートは室温でしか使用できないこと、室温ではフォノン散乱などがグラフェンの理想的な伝導を妨げることから、この研究が困難である可能性もあるが、グラフェンの品質の向上と試料構造・測定方法の工夫によって問題を解決したい。
また、原子あるいは分子が吸着したグラフェンにイオン液体ゲートによる電界効果を併用して、グラフェンへさらに高濃度のキャリアを蓄積し、新規物性の実現を試みる。さらに、グラフェン以外の２次元層状物質へのイオン液体ゲート印加による電子物性変化の観測も並行して行う。
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| Causes of Carryover |
物品購入には足りない少額の残余が生じたため、これを有効に用いる目的で次年度分として請求した。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
試料作成に必要な消耗品を購入する。
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Research Products
(5 results)
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[Journal Article] Superconductivity in aromatic hydrocarbons2015
Author(s)
Yoshihiro Kubozono, Hidenori Goto, Taihei Jabuchi, Takayoshi Yokoya, Takashi Kambe, Yusuke Sakai, Masanari Izumi, Lu Zheng, Shino Hamao, Huyen L. T. Nguyen, Masafumi Sakata, Tomoko Kagayama and Katsuya Shimizu
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Journal Title
Physica C
Volume: 印刷中
Pages: 印刷中
DOI
Peer Reviewed
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[Journal Article] Emergence of double-dome superconductivity in ammoniated metal-doped FeSe2015
Author(s)
Masanari Izumi, Lu Zheng, Yusuke Sakai, Hidenori Goto, Masafumi Sakata, Yuki Nakamoto, Huyen L. T. Nguyen, Tomoko Kagayama, Katsuya Shimizu, Shingo Araki, Tatsuo C. Kobayashi, Takashi Kambe, Dachun Gu, Jing Guo, Jing Liu, Yanchun Li, Liling Sun, Kosmas Prassides, and Yoshihiro Kubozono
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Journal Title
Sci. Rep.
Volume: 5
Pages: 9477-1-7
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
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