Observation of new kinds of quantum transport in high mobility graphene using BN

2016 Fiscal Year Annual Research Report

• Project Area: Science of Atomic Layer Systems
• Project/Area Number: 16H00899
• Research Institution: Chiba University
• Principal Investigator: 青木 伸之 千葉大学, 大学院融合科学研究科, 准教授 (60312930)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2018-03-31
• Keywords: グラフェン / 窒化ホウ素（BN） / 量子伝導現象 / 高移動度化 / 低温磁気伝導 / 垂直電場印加 / バンドギャップ形成 / バリスティック伝導

Outline of Annual Research Achievements

グラフェンで未だに実現されていない量子構造の一つに量子ポイントコンタクト（QPC）がある。 その原因の一つは「意外に高移動度化が難しい」ことであり，もう一つは「電場による閉じ込めが 効かない」というグラフェンに特有の問題が挙げられる。本研究では窒化ホウ素（BN）と２層グ ラフェン（BLGr）によりこれら２つの問題を打開し，グラフェンにおける新しい量子伝導現象観 測の道を切り拓くことを目的とする。
本年度は，グラフェン電界効果トランジスター（ＦＥＴ）の高移動度化を目指し、韓国・ 成均館大学のグループと協力してBN/Gr/BN 積層構造の作製を進めた。その結果、低温での移動度がおよそ100000 cm2/Vsにまで達することができ，準バリスティック領域における伝導現象を議論することができるようになった。この領域でも低磁場では量子伝導度ゆらぎが観測され，そのゆらぎの特徴について解析を進めた。グラフェンにおける伝導度ゆらぎの特徴として、ゲート電圧に対するゆらぎ（ゲートゆらぎ）と、印加磁場に対するゆらぎ（磁気ゆらぎ）の振幅が異なるといったエルゴード性の破れが指摘されてきたが、本研究で得られた準バリスティック系での伝導度ゆらぎにおいても同様の違いが観測され、そのような特徴がグラフェンに特有の現象であることが実証された。また、0.5Ｔ以上の磁場範囲においては明瞭なシュブニコフ-ド・ハース振動が観測され、その解析からBNを用いた試料における有効質量や緩和時間の議論を行った。
一方で、２層グラフェン（BLGr）に対する垂直電場印加による閉じ込め構造の形成については、十分な電場印加を実現することができるようになったが、バンドギャップの形成を示唆するような実験結果を得るには至らなかった。今後試料作製プロセスを見直し、バンドギャップ形成による量子閉じ込め効果の発現を目指して研究を進めていく。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

本研究の目的は、BNをグラフェンの上下層に用いることで高移動度化を実現することと、BLGrに対して垂直電場を印加することで空乏層を形成し、それらによって形成される量子閉じ込め構造における特徴的な伝導現象を観測することにある。そのため、前提となるグラフェンの高移動度化については、作製プロセスを概ね確立し、ディラックポイントが０V付近に位置した、100000 cm2/Vs程度の準バリスティック試料が作製できるようになった。一方で、BLGrに対する垂直電場印加によるバンドギャップ形成を目指し、試料を作製し、低温までの特性を取ったところ、5 V/nm程度の強電界を印加しているにもかかわらず、ディラックポイントの抵抗値の上昇は10 kΩ程度にとどまる結果となった。このように、バンドギャップ形成ができない原因については調査中であり、一刻も早い解決を行い、電界閉じ込め構造の作製に移りたいと考えている。

Strategy for Future Research Activity

BLGrに対する電場による閉じ込め構造形成技術の確立と量子多体効果の観測をめざし、BN をBLGrの上下に用いた、垂直電場印加が可能なデュアルゲート構造を形成し、バンドギャップの形成を低温で確認する。その後、プロセスを発展させ，BLGrをチャネルとしたスプリットゲート型QPC の作製に取りかかる。スプリット型トップゲートを形成し，バックゲートとトップゲート間の電場を利用して，２層グラフェンに垂直電場を印加することで，ゲート電極直下のグラフェンを完全に空乏化させることができると考えられる。これによりナノリボン化すること無く電気的に１次元狭窄領域を形成できるようになり，明瞭な伝導度の量子化が観測されると期待している。その後，0.7 構造やスピン依存伝導の観測やSGM を用いたグラフェン上の伝導経路等のイメージングを進めていく。

Research Products

• [Int'l Joint Research] ニューヨーク州立大学バッファロー校/アリゾナ州立大学/ライス大学(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: ニューヨーク州立大学バッファロー校/アリゾナ州立大学/ライス大学
• [Int'l Joint Research] 成均館大学(韓国)
  • Country Name: KOREA (REP. OF KOREA)
  • Counterpart Institution: 成均館大学
• [Int'l Joint Research] 国立台湾大学/国立嘉儀大学/国立中興大学(台湾)
  • Country Name: その他の国・地域
  • Counterpart Institution: 国立台湾大学/国立嘉儀大学/国立中興大学
• [Journal Article] Shubnikov-de Haas measurements on a high mobility monolayer graphene flake sandwiched between boron nitride sheets (2017)
  • Author(s): Naoki Matsumoto, Masaaki Mineharu, Masahiro Matsunaga, Chiashain Chuang, Yuichi Ochiai, Kenichi Oto, Gil-Ho Kim, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, David K Ferry, Carlo R da Cunha and Nobuyuki Aoki
  • Journal Title: Journal of Physics: Condenced Matter Volume: 29 Pages: 225301-1-6
  • DOI: 10.1088/1361-648X/aa6d36
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Detecting weak coupling in mesoscopic systems with a nonequilibrium Fano resonance (2016)
  • Author(s): S. Xiao, Y. Yoon, Y.-H. Lee, J. P. Bird, Y. Ochiai, N. Aoki, J. L. Reno, and J. Fransson
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 93 Pages: 165435-1-13
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.93.165435
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Conductance fluctuations in high mobility monolayer graphene: Nonergodicity, lack of determinism and chaotic behavior (2016)
  • Author(s): C. R. da Cunha, M. Mineharu, M. Matsunaga, N. Matsumoto, C. Chuang, Y. Ochiai, G.-H. Kim, K. Watanabe, T. Taniguchi, D. K. Ferry, and N. Aoki
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 6 Pages: 33118-1-8
  • DOI: DOI: 10.1038/srep33118
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Thermally Assisted Nonvolatile Memory in Monolayer MoS2 Transistors (2016)
  • Author(s): G. He, H. Ramamoorthy, C.-P. Kwan, Y.-H. Lee, J. Nathawat, R. Somphonsane, M. Matsunaga, A. Higuchi, T. Yamanaka, N. Aoki, Y. Gong, X. Zhang, R. Vajtai, P. M. Ajayan, and J. P. Bird
  • Journal Title: Nano Letters Volume: 16 Pages: 6445-1-7
  • DOI: DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b02905
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Nanoscale-Barrier Formation Induced by Low-Dose Electron-Beam Exposure in Ultrathin MoS2 Transistors (2016)
  • Author(s): Masahiro Matsunaga, Ayaka Higuchi, Guanchen He, Tetsushi Yamada, Peter Kruger, Yuichi Ochiai, Yongji Gong, Robert Vajtai, Pulickel M. Ajayan, Jonathan P. Bird, and Nobuyuki Aoki
  • Journal Title: ACS Nano Volume: 10 Pages: 9730-1-8
  • DOI: DOI: 10.1021/acsnano.6b05952
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] グラフェンにおける量子閉じ込め現象に関する検討 (2017)
  • Author(s): 松本直樹, 峰晴正彰, 荒川友貴, 松永正広, 落合勇一, D.K.フェリー, J.P.バード, 渡邊賢司, 谷口尚, I.リー, G-H.キム, 青木伸之
  • Organizer: 日本物理学会第72回年次大会
  • Place of Presentation: 大阪大学豊中キャンパス
  • Year and Date: 2017-03-17 – 2017-03-20
• [Presentation] 電子線リソグラフィによる単層MoS2への歪み導入 (2017)
  • Author(s): 松永正広, 樋口綾香, He Guanchen, 山田哲史, Kruger Peter, 落合勇一, Bird Jonathan P., 青木伸之
  • Organizer: 第64回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜
  • Year and Date: 2017-03-14 – 2017-03-17
• [Presentation] Study of plant leaf-derived grapheme quantum dots through magnetic force microscopy (2017)
  • Author(s): Chiashain Chuang, Masahiro Matsunaga, Prathik Roy, Rini Ravindranath, Huan-Tsung Chang, Chi-Te Liang, Nobuyuki Aoki
  • Organizer: 第64回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜
  • Year and Date: 2017-03-14 – 2017-03-17
• [Presentation] 2次元層状物質を用いた電界効果トランジスターの高温動作時に観測される巨大な電流ジャンプとメモリー効果 (2017)
  • Author(s): 山中智貴, 樋口綾香, 松永正広, 神谷航大, Guanchen He, Jonathan P. Bird, 青木伸之
  • Organizer: 第64回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜
  • Year and Date: 2017-03-14 – 2017-03-17
• [Presentation] From 2H to 1T’Structural Transition of Multilayer MoTe2 Crystal by laser Irradiation (2017)
  • Author(s): Kota Kamiya, Tomoki Yamanaka, Masahiro Matsunaga, Ayaka Higuchi, Yuichi Ochiai, Michio Kida, Katsuhiko Miyamoto, Takashige Omatsu, and Nobuyuki Aoki
  • Organizer: The Second Symposium of Chiral Materials Science 2017
  • Place of Presentation: 東京大学本郷キャンパス
  • Year and Date: 2017-03-08 – 2017-03-09
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Transaction of crystal structure and electrical property of MoTe2 crystal by laser irradiation (2017)
  • Author(s): Kota Kamiya, Tomoki Yamanaka, Masahiro Matsunaga, Ayaka Higuchi, Yuichi Ochiai, Michio Kida, Jonathan P Bird, Nobuyuki Aoki
  • Organizer: 第52回フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム
  • Place of Presentation: 東京大学
  • Year and Date: 2017-03-01 – 2017-03-03
• [Presentation] 過熱還元された酸化グラフェンの電気伝導特性 (2017)
  • Author(s): 石田拓也, 仁科勇太, 青木伸之
  • Organizer: 第52回フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム
  • Place of Presentation: 東京大学本郷キャンパス
  • Year and Date: 2017-03-01 – 2017-03-03
• [Presentation] MoS2トランジスタにおける電子線照射効果に関するSGM観察 (2016)
  • Author(s): 松永正広, 樋口絢香, Guanchen He, Jonathan P. Bird, 落合勇一, 青木伸之
  • Organizer: 日本物理学会2016年秋季大会
  • Place of Presentation: 金沢大学
  • Year and Date: 2016-09-13 – 2016-09-16
• [Presentation] 高移動度グラフェンにおける伝導度ゆらぎ (2016)
  • Author(s): 松本直樹, 峰晴正彰, 松永正広, C R da Cunha, 落合勇一, D Kフェリー, JPバード, 渡邊賢司, 谷口尚, Iリー, G-Hキム, 青木伸之
  • Organizer: 日本物理学会2016年秋季大会
  • Place of Presentation: 金沢大学
  • Year and Date: 2016-09-13 – 2016-09-16
• [Presentation] Temperature-induced carrier redistribution in a CVD-grown grapheme wide constriction (2016)
  • Author(s): Chiashain Chuang, Che-Hsiu Hsueh, Tak-Pong Woo, Makoto Tsubota, Wenchin Wu, Yuichi Ochiai, Chi-Te Liang, Nobuyuki Aoki
  • Organizer: 日本物理学会2016年秋季大会
  • Place of Presentation: 金沢大学
  • Year and Date: 2016-09-13 – 2016-09-16
• [Presentation] Current jump and memory effect in MoS2 transistor operated at high temperature (2016)
  • Author(s): Tomoki Yamanaka, Masahiro Matsunaga, Ayaka Higuchi, Yuichi Ochiai, Guanchen He, Jonathan P. Bird, Nobuyuki Aoki:
  • Organizer: 第51回フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム
  • Place of Presentation: 札幌
  • Year and Date: 2016-09-07 – 2016-09-09
• [Presentation] Electron beam lithography induced strain in MoS2 crystaldai (2016)
  • Author(s): 松永正広, 樋口絢香, He Guanchen, 山田哲史, Kruger Peter, Bird Jonathan, 落合勇一, 青木伸之
  • Organizer: 第51回フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム
  • Place of Presentation: 札幌
  • Year and Date: 2016-09-07 – 2016-09-09
• [Presentation] Imaging coherent transport in chemical vapor deposition graphene wide constriction using scanning gate microscopy (2016)
  • Author(s): Chiashain Chuang, Tak-Pong Woo, Fan-Hung Liu, Masahiro Matsunaga, Yuichi Ochiai, Chi-Te Liang and Nobuyuki Aoki
  • Organizer: 33rd International Conference on the Physics of Semiconductor (ICPS 2016)
  • Place of Presentation: Beijin, China
  • Year and Date: 2016-07-31 – 2016-08-05
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Anomalous Conductance Fluctuations in Bilayer Graphene in h-BN layers (2016)
  • Author(s): Masaaki Mineharu, Masahiro Matsunaga, Yuichi Ochiai, Inyeal Lee, Gil-Ho Kim, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, David K Ferry, Jonathan P. Bird and Nobuyuki Aoki
  • Organizer: Compund Semiconductor Week (CSW2016)
  • Place of Presentation: Toyama
  • Year and Date: 2016-06-26 – 2016-06-30
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Shubnikov-de Haas oscillations observed in High-Mobility Monolayer Graphene Encapsulated by h-BN (2016)
  • Author(s): Masaaki Mineharu, Masahiro Matsunaga, Naoki Matsumoto, Caelo da Cunha, Chiashain Chuang, Yuichi Ochiai, Inyeal Lee, Gil-Ho Kim, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, David K. Ferry, Jonathan P. Bird and Nobuyuki Aoki
  • Organizer: Compund Semiconductor Week (CSW2016)
  • Place of Presentation: Toyama
  • Year and Date: 2016-06-26 – 2016-06-30
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Thermal current-induced charge redistribution in wide CVD-grown grapheme constriction (2016)
  • Author(s): Chiashain Chuang, Tak-Pong Woo, Fan-Hung Liu, Masahiro Matsunaga, Yuichi Ochiai, Chi-Te Liang and Nobuyuki Aoki
  • Organizer: Compund Semiconductor Week (CSW2016)
  • Place of Presentation: Toyama
  • Year and Date: 2016-06-26 – 2016-06-30
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Imaging local transport property within MoS2 transistors by scanning gate microscopy (2016)
  • Author(s): Masahiro Matsunaga, Ayaka Higuchi, Guanchen He, Jonathan P. Bird, Yuichi Ochiai and Nobuyuki Aoki
  • Organizer: Compund Semiconductor Week (CSW2016)
  • Place of Presentation: Toyama
  • Year and Date: 2016-06-26 – 2016-06-30
  • Int'l Joint Research
• [Book] 落合勇一，関根智幸，青木伸之/共訳 （David K. Ferry著） (2016)
  • Author(s): 詳説 半導体物性
  • Total Pages: 229
  • Publisher: コロナ社
• [Remarks] 量子ナノデバイス研究グループ（青木研究室）
  • URL: http://adv.chiba-u.jp/nano/qnd/index.html