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

2017 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, 大学院工学研究院, 准教授 (60312930)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2018-03-31
• Keywords: グラフェン / 六方晶窒化ホウ素 / 高移動度 / 伝導度ゆらぎ / 垂直電場印加 / 量子ポイントコンタクト

Outline of Annual Research Achievements

本研究では，グラフェンを六方晶窒化ホウ素（h-BN）で挟み込むことで高移動度化を実現し，そこで発現する新しい量子伝導現象を観測することを目的として研究を行った。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の議論が可能となった。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、ゲート電圧掃引に対するゆらぎと、印加磁場掃引に対する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、これがグラフェンに普遍的な特徴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h-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。
また，電界閉じ込め型の量子ポイントコンタクト（QPC）の実現をめざした。２層グラフェン（BLGr）を上下のh-BNで挟み込み， Si基板によるバックゲートと，スプリット型のトップゲートとの間に逆極性の電圧を印加することで，垂直電界印加によるトップゲート直下のBLGrの絶縁化を試みた。ゲート長が５μmのトップゲートを用いた場合，12Kにてトップゲートに-12.5 V，バックゲートに110 Vの印加によって1 MΩ以上の抵抗値の観測に成功し，垂直電場印加による絶縁化を実証した。しかし，ゲート長200nmのスプリットゲートを用いた場合は，どれも残念ながらQPC構造に起因した伝導現象が確認できなかった。原因としては，積層構造の作製の際に混入するバブルの存在によるゲート絶縁層の不均一性に起因すると考えられ，その問題の排除が今後の課題として挙げられる。

Research Progress Status

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [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] 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(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
• [Int'l Joint Research] 国立台湾大学/国立嘉儀大学/国立忠興大学(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/国立忠興大学
• [Int'l Joint Research] リオグランデ連邦ドスル大学(ブラジル)
  • Country Name: BRAZIL
  • Counterpart Institution: リオグランデ連邦ドスル大学
• [Journal Article] Hot carriers in CVD-grown graphene device with a top h-BN layer (2018)
  • Author(s): C. Chuang, M. Mineharu, N. Matsumoto, M. Matsunaga, C.-W. Liu, B.-Y. Wu, Gil-Ho Kim, L.-H. Lin, Y. Ochiai, K. Watanabe, T. Taniguchi, C.-T. Liang and N. Aoki
  • Journal Title: Journal of Nanomaterials Volume: 印刷中 Pages: 印刷中
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Large, non-saturating magnetoresistance in single layer chemical vapor deposition graphene with an h-BN capping layer (2018)
  • Author(s): Chiashain Chuang, C.-T. Liang, Gil-Ho Kim, R.E. Elmquist, Y. Yang, Y.P. Hsieh, Dinesh K. Patel, K. Watanabe, T. Taniguchi, and N. Aoki
  • Journal Title: Carbon Volume: 136 Pages: 211-216
  • DOI: 10.1016/j.carbon.2018.04.067
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [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] 二硫化モリブデン電界効果トランジスタに対する電子線リソグラフィの影響 (2017)
  • Author(s): 松永正広，青木伸之
  • Journal Title: Jasco Report Volume: 59 Pages: 64-69
• [Presentation] Laser control of crystalline structure and electrical property of MoTe2 crystal for all TMDC electronics (2018)
  • Author(s): Kota Kamiya, Tomoki Yamanaka, Trever Shimokusu, Hidemitsu Ouchi, Kohei Sakanashi, Masahiro Matsunaga, Peter Kruger, Katsuhiko Miyamoto, Takashige Omatsu, Jonathan P. Bird and Nobuyuki Aoki
  • Organizer: The Second Symposium of Chiral Molecular Science and Technology in Chiba University ‘-Advanced Materials Science, Biology & Nanophotonics in Chiba-‘
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Control of electrical property of MoTe2 crystal by laser irradiation (2018)
  • Author(s): Nobuyuki Aoki
  • Organizer: The Workshop on Structured Light and its Applications
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] レーザー照射によるMoTe2-FETの特性制御 (2018)
  • Author(s): 神谷航太, 大内秀益, 坂梨昂平, 山中智貴, ゲエヌエ トーマス, クリューガー ピーター, ジョナサン P．バード, 青木伸之
  • Organizer: 第65回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 真空加熱還元処理された酸化グラフェンのFET特性評価 (2018)
  • Author(s): 石田拓也, 青木伸之, 仁科勇太
  • Organizer: 第65回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] MoTe2の2H半導体相に対する接触特性の走査ゲート顕微法を用いた評価 (2018)
  • Author(s): 坂梨昂平, 神谷航太, 大内秀益, 山中智貴, 宮本克彦, 尾松孝茂, ジョナサン P．バード, 青木伸之
  • Organizer: 第65回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] ２層グラフェンにおける量子ポイントコンタクト構造の形成 (2018)
  • Author(s): 松本直樹, 荒川友貴, 村瀬健太郎, 坂梨昂平, 渡邊賢司, 谷口尚, G-H. Kim, D.K.Ferry, J.P.Bird, 青木伸之
  • Organizer: 日本物理学会第73回年次大会
• [Presentation] Control of Electrical Properties of MoTe2-FET by Laser Irradiation and Device Application (2018)
  • Author(s): Nobuyuki Aoki
  • Organizer: SAINT Seminer in SKKU
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Anomalous conductance fluctuations in high-mobility BN/graphene/BN heterojunctions (2017)
  • Author(s): M.Mineharu, N.Matsumoto, M.Matsunaga, Y.Ochiai, G.-H.Kim, K.Watanabe, T.Taniguchi, D.K.Ferry, J.P.Bird, N.Aoki
  • Organizer: EDISON20 (The 20th International Conference on Electron Dynamics in Semiconductors, Optoelectronics and Nanostructures)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Hot carriers in disordered grapheme with hexagonal-boron Nitride and multi-layer grapheme (2017)
  • Author(s): C. Chuang, M. Mineharu1, N. Matsumoto, M. Matsunaga, C.-W. Liu, B.-Y. Wu, G.-H. Kim, L.-H. Lin, Y. Ochiai, K. Watanabe, T. Taniguchi, Dinesh Kumar, C.-T. Liang, N. Aoki
  • Organizer: EDISON20 (The 20th International Conference on Electron Dynamics in Semiconductors, Optoelectronics and Nanostructures)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Transient Investigations of hot-carrier transport in BN-encapsulated grapheme FETs (2017)
  • Author(s): M. Zhao, J. Nathawat, C.-P. Kwan, H. Ramamoorthy, N. Matsumoto, M. Matsunaga, N. Aoki, Z. Jin, G.-H. Kim, K. Watanabe, T. Taniguchi, J. Han, J.P. Bird
  • Organizer: EDISON20 (The 20th International Conference on Electron Dynamics in Semiconductors, Optoelectronics and Nanostructures)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Structural and electrical control of multilayer MoTe2 crystal by laser irradiation (2017)
  • Author(s): T. Yamanaka, K. Kamiya, M. Matsunaga, A. Higuchi, Y. Ochiai, M. Kida, K. Miyamoto, T. Omatsu, J.P. Bird, N. Aoki
  • Organizer: EDISON20 (The 20th International Conference on Electron Dynamics in Semiconductors, Optoelectronics and Nanostructures)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 真空加熱還元処理された酸化グラフェンの物性評価 (2017)
  • Author(s): 石田拓也, 青木伸之, 仁科勇太
  • Organizer: 第78回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 二硫化モリブデン電界効果トランジスタの高温動作時に観測される電流ジャンプとメモリー効果に関する解析 (2017)
  • Author(s): 山中智貴, 樋口絢香, 松永正広, 神谷航大, Guanchen He, Jonathan Bird, 青木伸之
  • Organizer: 第78回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] レーザー照射によるMoTe2の構造相転移と電気伝導特性 (2017)
  • Author(s): 神谷航大, 松永正広, 山中智貴, 大内秀益, 木田理夫, 尾松孝茂, ジョナサン P. Bird, 青木伸之
  • Organizer: 第78回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] レーザー照射によるMoTe2の結晶構造と電子物性制御 (2017)
  • Author(s): 青木伸之
  • Organizer: 科研費新学術領域・第９回全体会議
• [Presentation] Thermal carriers in disorderedgrphene with hexagonal-Boron Nitride and multi-layer graphene (2017)
  • Author(s): Chuang Chiashain, Mineharu M., Matsunaga M., Liu C.-W., Wu B.-Y., Kim G.-H., Lin L.-H., Ochiai Y., Liang C.-T., Aoki N.
  • Organizer: 日本物理学会2017年秋季大会
• [Presentation] 2層グラフェンにおける電場による閉じ込め効果の発現 (2017)
  • Author(s): 松本直樹, 峰晴正彰, 荒川友貴, 松永正広, 渡邊賢司, 谷口尚, G-H. キム, D.K.フェリー, J.P.バード, 青木伸
  • Organizer: 日本物理学会2017年秋季大会
• [Presentation] Control of crystalline structure and FET property of MoTe2 by laser irradiation, OSJ-OSA Joint Symposia (2017)
  • Author(s): Kota Kamiya, Tomoki Yamanaka, Trever Shimokusu, Hidemasu Ouchi, Kohei Sakanashi, Masahiro Matsunaga, Peter Kruger, Katsuhiko Miyamoto, Takashige Omatsu, Jonathan P. Bird, and Nobuyuki Aoki
  • Organizer: Optics & Photonics Japan 2017
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Laser Control of Crystaline Structure and FET Property of MoTe2 (2017)
  • Author(s): N. Aoki , K. Kamiya, H. Ouchi, K. Sakanashi, T. Yamanaka, K. Ueno, P. Kruger, K. Miyamoto, T. Omatsu and J.P. Bird
  • Organizer: MNC 2017
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] 千葉大学大学院先進理化学専攻物質科学コース・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