バレートロニクスの実現に向けたバレー流の操作と制御への挑戦

• 研究課題/領域番号: 21K18865
• 研究種目: 挑戦的研究(萌芽)
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 中区分28:ナノマイクロ科学およびその関連分野
• 研究機関: 千葉大学
• 研究代表者: 青木 伸之 千葉大学, 大学院工学研究院, 教授 (60312930)
• 研究期間 (年度): 2021-07-09 – 2023-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2022年度)
• 配分額: 6,500千円 (直接経費: 5,000千円、間接経費: 1,500千円); 2022年度: 2,080千円 (直接経費: 1,600千円、間接経費: 480千円); 2021年度: 4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円)
• キーワード: バレーホール効果 / バレー流 / ゲート制御 / 遷移金属ダイカルコゲナイド / ２次元物質 / 非局所電圧 / モアレ超格子 / 逆バレーホール効果 / ベリー曲率 / バレートロニクス / 量子ポイントコンタクト / ゼロ磁場スピン分裂 / 走査ゲート顕微法

研究開始時の研究の概要

電荷・スピンに次ぐ第３のエレクトロニクスとして期待されるバレートロニクスの実現に向け，本研究ではグラフェンと六方晶窒化ホウ素のモアレ超格子を舞台に，試料中を流れる無散逸のバレー流を「操作する」ための新たな手法の探索に挑戦する。非局所走査ゲート顕微法を初めて導入し，バレー流の操作を試み，また離散化したエネルギー準位をもつ量子構造を導入による伝搬制御や，パルス電流印加による時間分解計測を行う。

研究成果の概要

本研究ではバレー流の電気的制御を目的として，単層のMoS2を用いてホールバー素子を作製し，素子全体を覆うバックゲートに加え，ホールバー上に局所的に変調するためのスプリット型の局所ゲート電極を導入し，バレーホール効果で発現する非局所電圧がどのように制御されるのかについて調査した。その結果，バックゲートの掃引で観測される非局所電圧は極低温で単一のピークを取るのに対し，20Kでは明瞭な２つのピークとなることが明らかになった。また，局所ゲート電極に負電圧を印加することで電極直下が空乏化し，その結果非局所電圧は急激に減少することがわかった。この結果，バレー流が電気的に制御できることが明らかになった。

研究成果の学術的意義や社会的意義

２次元物質で観測されるバレー流は，ベリー曲率によってKとK＇のバレーに依存した異常速度が付与されることで発現するバレーホール効果によって運ばれる。バレーによって互いに逆向きに進行するため正味の電荷の移動がキャンセルされ，無散逸での情報の伝達が可能となることから，超低消費デバイスの実現が期待されている。しかし，バレーホール効果の電気的な制御のみならず伝導特性による観測自体の例も少ないのが現状である。本研究では，局所ゲート電極の導入によってバレー流の伝達と遮断の切り替えを観測し，静電電気的な制御が可能であることを明らかにした。これらの成果はバレートロニクスの実現のための一歩となったと考える。

研究成果

• [国際共同研究] 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/北アリゾナ大学(米国)
• [国際共同研究] 成均館大学(韓国)
• [国際共同研究] 国立台湾大学/国立嘉儀大学/中興大学(その他の国・地域)
• [国際共同研究] 成均館大学(韓国)
• [国際共同研究] 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)
• [国際共同研究] 国立台湾大学/忠興大学(その他の国・地域)
• [雑誌論文] Enhancing optical characteristics of mediator-assisted wafer-scale MoS2 and WS2 on h-BN (2023)
  • 著者名/発表者名: Chiu Sheng-Kuei, Li Ming-Chi, Ci Ji-Wei, Hung Yuan-Chih, Tsai Dung-Sheng, Chen Chien-Han, Lin Li-Hung, Watanabe Kenji, Taniguchi Takashi, Aoki Nobuyuki, Hsieh Ya-Ping, Chuang Chiashain
  • 雑誌名: Nanotechnology 巻: 34 号: 25 ページ: 255703-255703
  • DOI: 10.1088/1361-6528/acc5f1
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Signatures of hot carriers and hot phonons in the re-entrant metallic and semiconducting states of Moire-gapped graphene (2023)
  • 著者名/発表者名: Nathawat Jubin, Mansaray Ishiaka, Sakanashi Kohei, Wada Naoto, Randle Michael D., Yin Shenchu, He Keke, Arabchigavkani Nargess, Dixit Ripudaman, Barut Bilal, Zhao Miao, Ramamoorthy Harihara, Somphonsane Ratchanok, Kim Gil-Ho, Watanabe Kenji, Taniguchi Takashi, Aoki Nobuyuki, Han Jong E., Bird Jonathan P.
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 14 号: 1
  • DOI: 10.1038/s41467-023-37292-4
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] An investigation of the background potential in quantum constrictions using scanning gate microscopy and a swarming algorithm (2023)
  • 著者名/発表者名: da Cunha C.R., Aoki N., Ferry D.K., Velasquez A., Zhang Y.
  • 雑誌名: Physica A: Statistical Mechanics and its Applications 巻: 614 ページ: 128550-128563
  • DOI: 10.1016/j.physa.2023.128550
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Enhanced contact properties of MoTe2-FET via laser-induced heavy doping (2023)
  • 著者名/発表者名: T. Xie, K. Fukuda, M. Ke, P. Kruger, K. Ueno, G.-H. Kim, N. Aoki
  • 雑誌名: Jpn. J. Appl. Phys. 巻: 62 号: SC ページ: SC1010-SC1010
  • DOI: 10.35848/1347-4065/aca67e
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Enhanced Performance of WS2 Field-Effect Transistor throughMono and Bilayer h-BN Tunneling Contacts (2022)
  • 著者名/発表者名: Nhat Anh Nguyen Phan, Hamin Noh, Jihoon Kim, Yewon Kim, Hanul Kim, Dongmok Whang, Nobuyuki Aoki, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, and Gil-Ho Kim
  • 雑誌名: Nano Micro Small 巻: 2022 号: 13
  • DOI: 10.1002/smll.202105753
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Solvated C70 single crystals for organic field effect transistors (2022)
  • 著者名/発表者名: Mitake Yuji、Gomita Ayaka、Yamamoto Ryohei、Watanabe Miyabi、Suzuki Ryo、Aoki Nobuyuki、Tanimura Makoto、Hirai Tadahiko、Tachibana Masaru
  • 雑誌名: Chemical Physics Letters 巻: 807 ページ: 140094-140094
  • DOI: 10.1016/j.cplett.2022.140094
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Quantized exciton-exciton annihilation in monolayer on substrate with atomically flat terraces (2021)
  • 著者名/発表者名: Yuto Kajino, Kohei Sakanashi, Nobuyuki Aoki, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Kenichi Oto, and Yasuhiro Yamada
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 103 号: 24
  • DOI: 10.1103/physrevb.103.l241410
  • 査読あり
• [雑誌論文] Valley polarized conductance quantization in bilayer graphene narrow quantum point contact (2021)
  • 著者名/発表者名: Kohei Sakanashi, Naoto Wada, Kentaro Murase, Kenichi Oto, Gil-Ho Kim, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Jonathan P. Bird, David K. Ferry, Nobuyuki Aoki
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 118 号: 26 ページ: 263102-263102
  • DOI: 10.1063/5.0052845
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] High mobility field-effect transistors based on MoS2 crystals grown by the flux method (2021)
  • 著者名/発表者名: Vilas Patil, Jihyun Kim, Khushabu Agrawal, Tuson Park, Junsin Yi, Nobuyuki Aoki, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Gil-Ho Kim
  • 雑誌名: Nanotechnology 巻: 32 号: 32 ページ: 325603-325603
  • DOI: 10.1088/1361-6528/abf6f1
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Signature of spin-resolved quantum point contact in p-type trilayer WSe2 van der Waals heterostructure (2021)
  • 著者名/発表者名: Kohei Sakanashi, Peter Kruger, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Gil-Ho Kim, David K. Ferry, Jonathan P. Bird, and Nobuyuki Aoki
  • 雑誌名: Nano Letters 巻: 21 号: 18 ページ: 7534-7541
  • DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c01828
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] TMDC-FET上への有機単分子膜形成によるｐ型ドーピングとコンタクト特性の評価 (2023)
  • 著者名/発表者名: 堀場 大輔, 坂梨 昂平, 柯 梦南, 青木 伸之
  • 学会等名: 第28回電子デバイス界面テクノロジー研究会
• [学会発表] Characteristics of slow traps in different interfacial layers of n-Ge gate stacks by plasma oxidation (2023)
  • 著者名/発表者名: Mengnan Ke, Tsung-En Lee, Kasidit Toprasertpong, Mitsuru Takenaka, Shinichi Takagi
  • 学会等名: 第28回電子デバイス界面テクノロジー研究会
• [学会発表] Application of laser irradiation for multilayer MoTe2: phase transition, contact engineering and TFET fabrication (2023)
  • 著者名/発表者名: Tianshun Xie, Mengnan Ke, Peter Kruger, Keiji Ueno, Gil-Ho Kim, Nobuyuki Aoki
  • 学会等名: The 64th Fullerenes-Nanotubes-Graphene General Symposium
• [学会発表] P-type doping and contact property control for WSe2-FET by charge transfer doping via self-assembled monolayer (2023)
  • 著者名/発表者名: Daisuke Horiba, Takuya Kojima, Kohei Sakanashi, Mengnan Ke, Nobuyuki Aoki
  • 学会等名: The 64th Fullerenes-Nanotubes-Graphene General Symposium
• [学会発表] Reduction of Id-Vg hysteresis in SiO2/MoS2 n-FET by insertion of h-BN interfacial layer, (2023)
  • 著者名/発表者名: Jiaquan Fengi, Tianshun Xie, Nobuyuki Aoki, Mengnan Ke
  • 学会等名: 2023年第70回応用物理学会学術講演会
• [学会発表] 単層MoS2におけるバレー流のスプリットゲート制御 (2023)
  • 著者名/発表者名: 福田 和紀, 横井 和史, 高橋 慶, 渡邊 賢治, 谷口 尚, 柯 梦南, 青木 伸之
  • 学会等名: 2023年第70回応用物理学会学術講演会
• [学会発表] レーザー誘起ドーピング技術を用いた高性能TFETの作製 (2023)
  • 著者名/発表者名: 謝 天順, 柯 梦南, 上野 啓司, 青木 伸之
  • 学会等名: 2023年第70回応用物理学会学術講演会
• [学会発表] Evalution of BKT phase transition in 2H-NbS2 flake (2022)
  • 著者名/発表者名: Tianshun Xie, Kohei Sakanashi, Kazushi Yokoi, Keiji Ueno, Nobuyuki Aoki
  • 学会等名: 29th International Conference on Low Temperature Physics (LT29)
  • 国際学会
• [学会発表] Electrical properties of the graphene/WSe2 short-channel device (2022)
  • 著者名/発表者名: K. Yokoi, K. Sakanashi, G.-H. Kim, K. Watanabe, T. Taniguchi , and N. Aoki
  • 学会等名: 29th International Conference on Low Temperature Physics (LT29)
  • 国際学会
• [学会発表] グラフェン/WSe2ヘテロ接合における磁気輸送特性評価II (2022)
  • 著者名/発表者名: 横井和史, 坂梨昂平, Gil-Ho Kim, 渡邊賢司, 谷口尚, 青木伸之
  • 学会等名: 日本物理学会2022年秋季大会
• [学会発表] 走査ゲート顕微法を用いた遷移金属ダイカルコゲナイドヘテロ接合における輸送特性の評価 (2022)
  • 著者名/発表者名: 酒井 歩峻,渡邊 賢治, 谷口 尚, 柯 夢南, 青木 伸之
  • 学会等名: 2022年第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] MoTe2/n++-Siヘテロ構造を用いた縦型TFETの研究 (2022)
  • 著者名/発表者名: 中村 宥雅, 柯 梦南, 渡邊 賢司, 谷口 尚, 青木 伸之
  • 学会等名: 2022年第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] レーザー誘起ドーピング技術を用いてp型MoTe2-TFETの実現 (2022)
  • 著者名/発表者名: 謝 天順, 福田 和紀, 柯 梦南, 上野 啓司, 青木 伸之
  • 学会等名: 2022年第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] 有機単分子膜形成によるTMDC-FETへのドーピング効果の定量評価 (2022)
  • 著者名/発表者名: 堀場 大輔, 坂梨 昂平, 渡邊 賢司, 谷口 尚, 柯 梦南, 青木 伸之
  • 学会等名: 2022年第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] 単層WSe2におけるバレー流の観測とトップゲート制御 (2022)
  • 著者名/発表者名: 福田 和紀, 横井 和史, 渡邊 賢治, 谷口 尚, 柯 梦南, 青木 伸之
  • 学会等名: 2022年第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] Realization of P-type MoTe2-TFET Via Laser-induced Doping Technique (2022)
  • 著者名/発表者名: Tianshun Xie, Kazuki Fukuda, Mengnan Ke, Nobuyuki Aoki
  • 学会等名: 2022 International Conferece on ssdm Solid State Devices and Materials
• [学会発表] 遷移金属ダイカルコゲナイドのFET応用に向けたレーザー誘起現象の活用；p・nドーピング制御および構造多形制御を利用したトンネル型電界効果トランジスタの実現 (2022)
  • 著者名/発表者名: 謝 天順, 柯 梦南, 青木 伸之
  • 学会等名: SEMICON JAPAN, ACADEMIA:1029
• [学会発表] 光渦レーザー誘起前方転写法によってプリントされたグラフェン (2022)
  • 著者名/発表者名: 佐々木 遥晃, 川口 晴生, 宮本 克彦, 尾松 孝茂, 青木 伸之
  • 学会等名: 第31回日本MRS年次大会
• [学会発表] 剥離により得られた2H-NbS2薄膜におけるBKT相転移の評価 (2022)
  • 著者名/発表者名: 謝 天順, 坂梨 昂平, 上野 啓司, 青木 伸之
  • 学会等名: 2022年第69回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] 有機単分子膜の挿入によるTMDC-FETにおけるコンタクト特性の改善 (2022)
  • 著者名/発表者名: 坂梨昂平, 柯梦南, 青木伸之
  • 学会等名: 2022年第69回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] Study on the contact properties between the semi-metallic phase and the semiconducting phase of MoTe2 (2021)
  • 著者名/発表者名: Tianshun Xie, Shuntaro Ikeda, Kohei Sakanashi, Keiji Ueno, Peter Kruger and Nobuyuki Aoki
  • 学会等名: ICN+T 2021
  • 国際学会
• [学会発表] モノリシックデバイス応用に向けたレーザー照射によるMoTe2 の構造制御と極性制御 (2021)
  • 著者名/発表者名: 青木伸之
  • 学会等名: グラフェンコンソーシアム第２６回研究講演会
  • 招待講演
• [学会発表] グラフェン/WSe2ヘテロ接合における磁気輸送特性評価 (2021)
  • 著者名/発表者名: 横井和史, 坂梨昂平, Gil-Ho Kim, 渡邊賢司, 谷口尚, 青木伸之
  • 学会等名: 日本物理学会2021年秋季大会
• [学会発表] Valley polarized transport at quantum point contact in bilayer graphene, (2021)
  • 著者名/発表者名: Nobuyuki Aoki, Kohei Sakanashi, Yukichi Kamita, Kenichi Oto, Gil-Ho Kim, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Jonathan P. Bird and David K. Ferry
  • 学会等名: The 12th Annual Recent Progress in Graphene and Two-dimensionalMaterials Research Conference (RPGR2021)
  • 国際学会
• [学会発表] Fully spin-resolved quantum point contact in trilayer WSe2 van der Waals heterostructure (2021)
  • 著者名/発表者名: Kohei Sakanashi, Peter Kruger, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Gil-HoKim, David K. Ferry, Jonathan P. Bird, and Nobuyuki Aoki
  • 学会等名: The 12th Annual Recent Progress in Graphene and Two-dimensionalMaterials Research Conference (RPGR2021)
  • 国際学会
• [備考] 千葉大学青木・柯グループ
  • URL: https://adv.chiba-u.jp/nano/qnd/index.html
• [備考] Quantum Nanodevice Laboratory Aoki Group
  • URL: https://adv.chiba-u.jp/nano/qnd/index.html