transport properties of ionic-liquid gated graphene

2016 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 26400361
• Research Institution: Okayama University
• Principal Investigator: 後藤 秀徳 岡山大学, 異分野基礎科学研究所, 助教 (90322669)
• Project Period (FY): 2014-04-01 – 2017-03-31
• Keywords: グラフェン / イオン液体 / 電気二重層 / キャリア蓄積 / 分子吸着 / 自己組織化単分子膜 / 電子移動 / バンド制御

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、グラフェンをはじめとする2次元層状物質へのキャリア蓄積による新規物性を探索してきた。イオン液体の電気二重層を用いた電界効果と並行して、分子吸着を用いた電子（またはホール）のドーピングをおこない、両方法で達成できるキャリア密度を定量的に見積もり、キャリア蓄積を決定する要因を明らかにしてきた。平成28年度はこれらの両方法の等価性と相違性をさらに詳しく調べた。2層グラフェンの両面から正負のゲート電圧を印加する電界効果と、両面から電子供与性／受容性分子を接するドーピング効果を比較した。電界効果では垂直電場が2層グラフェンに加わり、その結果、価電子帯と伝導帯にギャップが開くことが示されていた。しかしドーピング効果の場合には、バンド間にギャップが開くもの、逆にバンドの重なりが増えるもの、と異なる性質を示す試料が得られ、その違いが電子供与／受容性分子の配置に依存することを明らかにした。すなわち、垂直電界が生成するためには両分子がグラフェンを挟んで対称な位置に存在する必要がある。従来、電界効果とドーピング効果はキャリア蓄積に関して同一の効果を与えられると考えられてきたが、ドーピング効果の場合には静電ポテンシャルの空間的な不均一性がより顕著であることを示した。電界効果の場合であっても、極めて薄い電気二重層をゲートとして用いる場合には不均一性が問題になり、キャリアドープによる新規物性の発現に影響を与えることが示唆される。本研究の成果については論文作成中である。
グラフェン以外の2次元層状物質については、半導体であるLaOBiS2へのイオン液体ゲートを用いた電子蓄積によって超伝導誘起の観測に成功した。また、トポロジカル絶縁体のフェルミエネルギーを制御して表面状態特有の伝導現象を観測した。このように、電気二重層によるキャリア蓄積の研究対象をグラフェン以外にも広げ、新現象の探索に努めた。

Research Products

• [Journal Article] Recent progress on carbon-based superconductors (2016)
  • Author(s): Yoshihiro Kubozono, Ritsuko Eguchi, Hidenori Goto, Shino Hamao, Takashi Kambe, Takahiro Terao, Saki Nishiyama, Lu Zheng, Xiao Miao and Hideki Okamoto
  • Journal Title: J. Phys.: Condens. Matter Volume: 28 Pages: 334001-1-15
  • DOI: 10.1088/0953-8984/28/33/334001
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Emergence of superconductivity in (NH3)yMxMoSe2 (M: Li, Na and K) (2016)
  • Author(s): Xiao Miao, Saki Nishiyama, Lu Zheng, Hidenori Goto, Ritsuko Eguchi, Hiromi Ota, Takashi Kambe, Kensei Terashima, Takayoshi Yokoya, Huyen T. L. Nguyen, Tomoko Kagayama, Naohisa Hirao, Yasuo Ohishi, Hirofumi Ishii, Yen-Fa Liao and Yoshihiro Kubozono
  • Journal Title: Sci. Rep. Volume: 6 Pages: 29292-1-9
  • DOI: 10.1038/srep29292
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Chemical analysis of superconducting phase in K-doped picene (2016)
  • Author(s): Takashi Kambe, Saki Nishiyama, Huyen L T Nguyen, Takahiro Terao, Masanari Izumi, Yusuke Sakai, Lu Zheng, Hidenori Goto, Yugo Itoh, Taiki Onji, Tatsuo C Kobayashi, Hisako Sugino, Shin Gohda, Hideki Okamoto and Yoshihiro Kubozono
  • Journal Title: J. Phys.: Condens. Matter Volume: 28 Pages: 444001-1-6
  • DOI: 10.1088/0953-8984/28/44/444001
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Photoelectron Holographic Atomic Arrangement Imaging of Cleaved Bimetal-intercalated Graphite Superconductor Surface (2016)
  • Author(s): Fumihiko Matsui, Ritsuko Eguchi, Saki Nishiyama, Masanari Izumi, Eri Uesugi, Hidenori Goto, Tomohiro Matsushita, Kenji Sugita, Hiroshi Daimon, Yuji Hamamoto, Ikutaro Hamada, Yoshitada Morikawa and Yoshihiro Kubozono
  • Journal Title: Sci. Rep. Volume: 6 Pages: 36258-1-10
  • DOI: 10.1038/srep36258
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Superconductivity in (NH3)yNaxFeSe0.5Te0.5 (2016)
  • Author(s): Lu Zheng, Yusuke Sakai, Xiao Miao, Saki Nishiyama, Takahiro Terao, Ritsuko Eguchi, Hidenori Goto and Yoshihiro Kubozono
  • Journal Title: Phys. Rev. B Volume: 94 Pages: 174505-1-5
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.94.174505
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Electrostatic electron-doping yields superconductivity in LaOBiS2 (2016)
  • Author(s): Eri Uesugi, Saki Nishiyama, Hidenori Goto, Hiromi Ota and Yoshihiro Kubozono
  • Journal Title: Appl. Phys. Lett. Volume: 109 Pages: 252601-1-5
  • DOI: 10.1063/1.4972400
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] 電界効果によるカルコゲナイド層状物質の電子状態の研究 (2017)
  • Author(s): 上杉 英里, 後藤 秀徳, Miao Xiao, He Tong, 太田 弘道, 上野 哲平, 小林 夏野, 秋光 純, 久保園 芳博
  • Organizer: 日本物理学会第72回年次大会
  • Place of Presentation: 大阪大学（大阪府・豊中市）
  • Year and Date: 2017-03-17 – 2017-03-20
• [Presentation] 自己組織化単分子膜と吸着分子を用いた2層グラフェンのバンドギャップ制御 (2017)
  • Author(s): 内山貴生, 後藤秀徳, 秋吉秀彦, 上杉英里, 江口律子, 長田洋, 西川尚男, 久保園芳博
  • Organizer: 日本物理学会第72回年次大会
  • Place of Presentation: 大阪大学（大阪府・豊中市）
  • Year and Date: 2017-03-17 – 2017-03-20
• [Presentation] Electronic properties of graphene with molecular adsorption (2016)
  • Author(s): Hidenori Goto
  • Organizer: The 3rd INRS and Okayama University - International Scientific Workshop
  • Place of Presentation: 岡山大学（岡山県・岡山市）
  • Year and Date: 2016-09-30 – 2016-09-30
• [Presentation] 自己組織化単分子膜と分子吸着を用いた数層グラフェンの電子状態制御 (2016)
  • Author(s): 後藤秀徳, 内山貴生, 秋吉秀彦, 上杉英里, 江口律子, 齋藤軍治, 吉田幸大, 長田 洋, 西川尚男, 久保園芳博
  • Organizer: 日本物理学会2016年秋季大会
  • Place of Presentation: 金沢大学（石川県・金沢市）
  • Year and Date: 2016-09-13 – 2016-09-16
• [Presentation] Electron transfer between graphene and adsorbed molecules (2016)
  • Author(s): Hidenori Goto, Hidehiko Akiyoshi, Takaki Uchiyama, Ritsuko Eguchi and Yoshihiro Kubozono
  • Organizer: EMN 2D Materials Meeting
  • Place of Presentation: San Sebastian, Spain
  • Year and Date: 2016-05-19 – 2016-05-23
  • Int'l Joint Research / Invited