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折りたたみグラフェンを利用した階段型磁場中の二次元電子系の電気伝導の研究

公募研究

研究領域原子層科学
研究課題/領域番号 16H00896
研究種目

新学術領域研究(研究領域提案型)

配分区分補助金
審査区分 理工系
研究機関筑波大学

研究代表者

大塚 洋一  筑波大学, 数理物質系, 研究員 (50126009)

研究期間 (年度) 2016-04-01 – 2018-03-31
研究課題ステータス 完了 (2017年度)
配分額 *注記
3,120千円 (直接経費: 2,400千円、間接経費: 720千円)
2017年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円)
2016年度: 1,820千円 (直接経費: 1,400千円、間接経費: 420千円)
キーワードグラフェン / 二次元電子系 / 不均一磁場 / ホール効果 / 磁気抵抗効果 / 超伝導 / 量子ホール効果 / 低温物性 / 谷間散乱 / 2次元電子系
研究実績の概要

強磁場中の2次元電子系は量子ホール効果をはじめとした多くの興味深い現象発現の舞台である。この強磁場が空間的に激しく変化する状況での電気伝導を調べる目的で実験を行った。実験方法は以下の通りである。銅箔上CVD単層グラフェンにネガ型レジストSU-8膜をコートした後、銅箔を塩化第2鉄溶液でエッチング除去し、純水洗浄の後、フッ素系細い糸を用いた水中操作でグラフェンが表側になるように折り曲げ、その両面の合計18箇所に電極を取り付けた。前年度終了時点で問題であった折り畳みグラフェンの両面への配線については、穴あきガラス基板に転写した後、開口部において銀ペーストを用いて金線を接続するという方法が有効であった。この折り畳みグラフェン試料を4.2Kに冷却し、8.5Tまでの磁場を加えて伝導測定を行った。このとき,折り畳まれた上側のグラフェンと下側のグラフェンでは表裏が入れ替わるため、電子の軌道運動に対する実効的な磁場は反転することになる。実験では約5μmで8.5Tから-8.5Tに磁場が反転する極めて急峻な空間変化を実効的に実現できた。
表面と裏面では期待通り逆符号のホール電圧が観測された。表面・裏面間の抵抗は特有な磁場変化を示すが、数値シミュレーションを行いそれらは有効磁場の反転によって半定量的に理解できることがわかった。残念ながら今回の実験条件では量子ホール効果の観測には至らなかった。伝導は正孔型でキャリア密度は2x10^16m^2、移動度は0.1m^2/Vsであり、試料の質、特にキャリア密度の制御が重要である。また磁場反転部の界面量子状態を調べるには格段に薄いスペーサーをもつ折り曲げの実現が必要である。最近の報告によればグラフェンの折り曲げ曲率はかなり小さくできるとされており、実現の可能性はある。

現在までの達成度 (段落)

29年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

29年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(2件)
  • 2017 実績報告書
  • 2016 実績報告書
  • 研究成果

    (9件)

すべて 2018 2017 2016

すべて 学会発表 (9件) (うち国際学会 3件)

  • [学会発表] 低温・高磁場中における折り曲げグラフェンの電気伝導2018

    • 著者名/発表者名
      大塚洋一, 堀江彩叶
    • 学会等名
      日本物理学会 第73回年次大会(2018年)
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] 低温強磁場中における 折り曲げグラフェンの電気伝導2018

    • 著者名/発表者名
      大塚洋一、堀江彩叶
    • 学会等名
      新学術領域研究「原子層科学」最終回全体会議
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] 表面修飾したCVDグラフェンの電気伝導II2017

    • 著者名/発表者名
      大塚洋一, 堀江彩叶, 田村啓
    • 学会等名
      日本物理学会 2017年秋季大会
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] Electrical Conduction of Folded Graphene in Magnetic Field2017

    • 著者名/発表者名
      Ayato Horie and Youiti Ootuka
    • 学会等名
      9th annual Recent Progress in Graphene and Two-dimensional Materials Research Conference (RPGR2017)
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 折りたたみグラフェンを利用した階段型磁場中の二次元電子系の電気伝導2017

    • 著者名/発表者名
      大塚 洋一,堀江彩叶
    • 学会等名
      新学術領域研究「原子層科学」第9回領域全体会議
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] 折り畳みグラフェンの磁場中における電気伝導2017

    • 著者名/発表者名
      堀江彩叶, 田村啓, 大塚洋一
    • 学会等名
      日本物理学会 第72回年次大会(2017年)
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
  • [学会発表] Electrical Transport in Metal-Deposited CVD-Graphene2016

    • 著者名/発表者名
      Youiti Ootuka, Jin Aoki, and Ayato Horie
    • 学会等名
      Frontiers in Quantum Materials and Devices Workshop (FQMD2016)
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Electrical Transport in Metal-Decorated CVD-Graphene2016

    • 著者名/発表者名
      Youiti Ootuka, Jin Aoki, and Ayato Horie
    • 学会等名
      19th International Conference on Superlattices, Nanostructures and Nanodevices.(ICSNN 2016)
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 折りたたみグラフェンを利用した 階段型磁場中の二次元電子系の 電気伝導の研究2016

    • 著者名/発表者名
      大塚 洋一、堀江彩叶、田村啓
    • 学会等名
      新学術研究「原子層科学」 第 7 回領域全体会議
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書

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公開日: 2016-04-26   更新日: 2018-12-17  

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