超短時間領域におけるグラフェンの電子・格子結合ダイナミクスの研究

• Project Area: Materials Design through Computics: Complex Correlation and Non-equilibrium Dynamics
• Project/Area Number: 23104515
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: 防衛大学校(総合教育学群、人文社会科学群、応用科学群、電気情報学群及びシステム工学群)
• Principal Investigator: 北島 正弘 防衛大学校(総合教育学群、人文社会科学群、応用科学群、電気情報学群及びシステム工, 応用科学群, 教授 (00343830)
• Project Period (FY): 2011-04-01 – 2013-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2012)
• Budget Amount: ¥10,270,000 (Direct Cost: ¥7,900,000、Indirect Cost: ¥2,370,000); Fiscal Year 2012: ¥4,940,000 (Direct Cost: ¥3,800,000、Indirect Cost: ¥1,140,000); Fiscal Year 2011: ¥5,330,000 (Direct Cost: ¥4,100,000、Indirect Cost: ¥1,230,000)
• Keywords: 電子・格子相互作用 / グラフェン / 超高速現象 / 非平衡過程 / フォノン / 電子・格子間相互作用 / 非平衡課程

Outline of Annual Research Achievements

1． 試料作製：　グラフェン試料はGOS型に加えて、欠陥の少ない剥離グラフェン及びCVDグラフェンを、超高速測定及びバイアス効果の観察に供した。
2． デバイス作成およびバイアス効果測定解析手法の確立：　始めに90 nm酸化膜/Si基板上に剥離グラフェンを付着させた。光学顕微鏡により単層グラフェンの付着確認後、その上に電子線リソグラフィー法により金電極を作成した。
周波数48THｚ付近にGモード（グラフェンの炭素間伸縮振動モードに起因するピーク）の存在を顕微ラマンにより確認した後、超高速分光測定に供した。50Vの電圧印加したとが、このピークの周波数変化は~0.05 THzと小さかった。デバイス構造に問題があると考え、イオン液体を用いた手法へと方針を転換した。イオン液体に浸したCNT電極に電圧を印加した状態でポンプープローブ測定した結果、40 THz及び48 THzにそれぞれ、Dモード、Gモード（欠陥に誘起される振動）のコヒーレントC=C伸縮振動を明瞭に観測することができた。これらのピークの振幅、周波数及び寿命は電圧印加によって大きく変化した。特に高電圧印加ではGモードの強度が極端に減少した。これはフェルミ面が光励起のエネルギーを超えると、フォノン励起が起こりにくくなったことによる。これは、電子格子相互作用に係わるコーン異常効果の消滅により、周囲に自由電子のない“裸の”フォノンの運動に対応する興味深いダイナミクスを示す。
３．グラフェンの波束ダイナミックス：　検出光を波長分解することにより、欠陥における電子の弾性散乱によっておこるDモードのフォノンが、非常に高い波数を持ったフォノン波束としてふるまうことを示すことができた。これは光学フォノンの波束励起例としては初めてのものであり、ナノスケールの検出や、操作などの分野に応用できる可能性があり、当初予測しなかった重要な成果である。

Research Progress Status

24年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

24年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Electron–phonon coupling and defect scatterings in Ar⁺-ion implanted graphite (2013)
  • Author(s): I. Katayama
  • Journal Title: Journal of the Ceramic Society of Japan Volume: 121 Issue: 1411 Pages: 291-294
  • DOI: 10.2109/jcersj2.121.291
  • NAID: 130004950825
  • ISSN: 1348-6535, 1882-0743
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Resonant Enhancement of Coherent Phonons in Carbon Nanotubes Observed with Sub-10fs Time Resolution (2013)
  • Author(s): I. Katayama
  • Journal Title: Ultrafast Phenomena XVIII, EPJ Web of Conferences Volume: 41 Pages: 04028-04028
  • DOI: 10.1051/epjconf/20134104028
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Ultrafast Measurements of Coherent Vibrations in Benzenethiol Monolayer Film (2013)
  • Author(s): K. Shudo
  • Journal Title: Ultrafast Phenomena XVIII, EPJ Web of Conferences Volume: 41 Pages: 05013-05013
  • DOI: 10.1051/epjconf/20134105013
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Ultrafast Quasiparticle Dynamics of FeTe0.75Se0.25 Superconductor (2013)
  • Author(s): Y. Kabasawa
  • Journal Title: Ultrafast Phenomena XVIII, EPJ Web of Conferences Volume: 41 Pages: 03009-03009
  • DOI: 10.1051/epjconf/20134103009
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Surface metallic states in ultrathin Bi(001) films studied with terahertz time-domain spectroscopy (2012)
  • Author(s): 横田耕一郎, 武田淳, Dang ChiThi Thuy, 韓貴, McCarthy David Norman, 長尾忠昭, 菱田俊一, 北島正弘, 片山郁文
  • Journal Title: APPLIED PHYSICS LETTERS Volume: 100 Issue: 25
  • DOI: 10.1063/1.4729149
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 光パルス及び強誘電体フォノンポラリトンのシングルショット時間・周波数イメージング (2012)
  • Author(s): 武田 淳 他
  • Journal Title: レーザー研究 Volume: 40巻 Pages: 598-602
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Graphene-based devices in terahertz science and technology (2012)
  • Author(s): T. Otsuji, S. A. Boubanga Tombet, A. Satou, H. Fukidome, M. Suemitsu, E. Sano, V. Popov, M. Ryzhii, and V. Ryzhii
  • Journal Title: J. Phys. D: Applied Physics (招待論文) Volume: 45 Issue: 30 Pages: 303001-303001
  • DOI: 10.1088/0022-3727/45/30/303001
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Precise control of epitaxy of graphene by microfabricating SiC substrate (2012)
  • Author(s): H. Fukidome、 Y. Kawai、 F. Fromm、 M. Kotsugi、 H. Handa、 T. Ide、 T. Ohkouchi、 H. Miyashita、 Y. Enta、 T. Kinoshita、 Th. Seyller、 M. Suemitsu
  • Journal Title: Applied Physics Letters Volume: 101 Issue: 4 Pages: 041605-041605
  • DOI: 10.1063/1.4740271
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] High Frequency Coherent Phonons in Graphene on Silicon (2011)
  • Author(s): S.Koga, I.Katayama, S.Abe, H.Fukidome, M.Suemitsu, M.Kitajima, J.Takeda
  • Journal Title: Appl.Phys.Exp. Volume: 4 Issue: 4 Pages: 45101-45101
  • DOI: 10.1143/apex.4.045101
  • NAID: 10028209831
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Temperature-Programmed Desorption Observation of Graphene-on-ilicon Process (2011)
  • Author(s): Shunsuke Abe, Hiroyuki Handa, Ryota Takahashi, Kei Imaizumi, Hirokazu Fukidome, Maki Suemitsu
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 50 Issue: 7R Pages: 070102-070102
  • DOI: 10.1143/jjap.50.070102
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Transmission Electron Microscopy and Raman-Scattering Spectroscopy Observation on the Interface Structure of Graphene Formed on Si Substrates with Various Orientations (2011)
  • Author(s): H.Handa, R.Takahashi, S.Abe, M.Suemitsu, et al.
  • Journal Title: Jpn.J.Appl.Phys. Volume: 50 Issue: 4S Pages: 04DH02-04DH02
  • DOI: 10.1143/jjap.50.04dh02
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Oxygen-Induced Reduction of the Graphitization Temperature of SiC Surface (2011)
  • Author(s): K.Imaizumi
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 50 Issue: 7R Pages: 70105-70105
  • DOI: 10.1143/jjap.50.070105
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Polymer Material as a Gate Dielectric for Graphene Field-Effect-Transistor Applications (2011)
  • Author(s): M.-H.Jung, H.Handa, R.Takahashi, H.Fukidome, T.Suemitsu, et al
  • Journal Title: Jpn.J.Appl.Phys. Volume: 50 Issue: 7R Pages: 070107-070107
  • DOI: 10.1143/jjap.50.070107
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Investigation of Graphene Field Effect Transistors with Al2O3 Gate Dielectrics Formed by Metal Oxidation (2011)
  • Author(s): M.-H.Jung, H.Handa, M.Suemtsu, et al
  • Journal Title: Jpn.J.Appl.Phys. Volume: 50 Issue: 7R Pages: 070111-070111
  • DOI: 10.1143/jjap.50.070111
  • Peer Reviewed
• [Presentation] カーボンナノチューブにおける波長分解コヒーレントフォノン分光 (2012)
  • Author(s): 田原佳祐 他
  • Organizer: 励起ナノプロセス研究会 第８回研究会
  • Place of Presentation: 大阪大学、大阪
  • Year and Date: 2012-12-17
• [Presentation] サブ10fsレーザーを用いたLiNbO3における広帯域THzフォノン・ポラリトン分散計測 (2012)
  • Author(s): 滝澤建郁 他
  • Organizer: テラヘルツ分光法の最先端VIここまできたテラヘルツ時間領域分光
  • Place of Presentation: 筑波大学、つくば
  • Year and Date: 2012-10-25
• [Presentation] Dynamics of Lattice and Molecular Vibrations on Au nanostructures (2012)
  • Author(s): M.Kitajima
  • Organizer: 2012 RCAS-TNNA Symosium
  • Place of Presentation: Taipei, Taiwan
  • Year and Date: 2012-10-04
  • Invited
• [Presentation] 局在プラズモンと格子振動ダイナミクス (2012)
  • Author(s): 北島 正弘
  • Organizer: 強光子場科学研究懇談会
  • Place of Presentation: 東大、東京
  • Year and Date: 2012-10-02
  • Invited
• [Presentation] コヒーレントフォノン分光法によるグラフェンの超高速ダイナミクス (2012)
  • Author(s): 佐藤健次 他
  • Organizer: 日本物理学会2012年秋季大会
  • Place of Presentation: 横浜国大、横浜
  • Year and Date: 2012-09-18
• [Presentation] 超短パルスレーザーを用いたLiNbO3における広帯域Eモードフォノン・ポラリトン測定 (2012)
  • Author(s): 滝澤建郁 他
  • Organizer: 日本物理学会2012年秋季大会
  • Place of Presentation: 横浜国大、横浜
  • Year and Date: 2012-07-18
• [Presentation] 単層カーボンナノチューブにおけるコヒーレントフォノンの共鳴効果 (2012)
  • Author(s): 片山郁文 他
  • Organizer: 日本物理学会2012年秋季大会
  • Place of Presentation: 横浜国大、横浜
  • Year and Date: 2012-07-18
• [Presentation] THz Coherent Phonons in Graphene on Silicon (2012)
  • Author(s): M. Suemitsu et al.
  • Organizer: The 2nd International Symposium on Terahertz Nanoscience (TeraNano 2012)
  • Place of Presentation: Naha, Okinawa
  • Year and Date: 2012-07-04
  • Invited
• [Presentation] Ultrafast dynamics of electrons and phonons in iron-based superconductor FeTe0.75Se0.25 (2012)
  • Author(s): Y. Kabasawa et al.
  • Organizer: 6th International Conference on Science and Technology for Advanced Ceramics
  • Place of Presentation: Yokohama
  • Year and Date: 2012-06-26
• [Presentation] Electron-phonon Coupling and Dephasing of Coherent Phonons in Ar+-ion Implanted Graphite (2012)
  • Author(s): I. Katayama et al.
  • Organizer: 6th International Conference on Science and Technology for Advanced Ceramics
  • Place of Presentation: Yokohama
  • Year and Date: 2012-06-26
• [Presentation] Coherent Phonon Dynamics in Graphene on Silicon (2012)
  • Author(s): I.Katayama et al.
  • Organizer: 5th International Conference on Optical, Optoelectronic and Photonic Materials and Applications (ICOOPMA 2012)
  • Place of Presentation: Nara
  • Year and Date: 2012-06-03
• [Presentation] グラフェンにおけるコヒーレントDモードフォノン波束 (2012)
  • Author(s): 片山郁文、古賀翔、武田淳、吹留博一、末光眞希、北島正弘
  • Organizer: 「コンピューティクスによる物質デザイン:複合相関と非平衡ダイナミクス」研究会
  • Place of Presentation: 東京大学(東京都)
  • Year and Date: 2012-03-16
• [Presentation] 金ナノ構造を用いたコヒーレントフォノンの振幅増強 (2012)
  • Author(s): 片山郁文、古賀翔、首藤健一、武田淳、北島正弘
  • Organizer: 「コンピューティクスによる物質デザイン:複合相関と非平衡ダイナミクス」研究会
  • Place of Presentation: 東京大学(東京都)
  • Year and Date: 2012-03-16
• [Presentation] 金表面に吸着されたチオール単分子層のコヒーレント振動の実時間計測 (2012)
  • Author(s): 首藤健一、土井幸司郎、片山郁文、北島正弘、武田淳
  • Organizer: 「コンピューティクスによる物質デザイン:複合相関と非平衡ダイナミクス」研究会
  • Place of Presentation: 東京大学(東京都)
  • Year and Date: 2012-03-16
• [Presentation] 炭素系物質の面内C=C伸縮振動モードの時間領域観察 (2011)
  • Author(s): 北島正弘
  • Organizer: 「コンピューティクスによる物質デザイン:複合相関と非平衡ダイナミクス」平成23年度第1回研究会
  • Place of Presentation: 東京大学(東京都)
  • Year and Date: 2011-10-07
• [Book] 超高速ダイナミックス、「現代表面科学シリーズ」第２巻第４章 (2013)
  • Author(s): 北島 正弘
  • Publisher: 共立出版