微小多孔質アルミナ膜を用いて形成された微細構造におけるメゾスコピック現象

2000 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 11440115
• 研究機関: 青山学院大学
• 研究代表者: 春山 純志 青山学院大学, 理工学部, 助教授 (70296383)
• キーワード: メゾスコピック現象 / 微小多孔質アルミナ膜 / 単一電子トンネリング / 単一微小トンネル接合 / 外部電磁場環境 / 局在 / カーボンナノチューブ / 磁壁巨視的量子トンネリング

研究概要

本研究の目的は微小多孔質アルミナ膜を用いて独創的なナノ構造を形成し、従来の半導体微細構造では見出し難かった量子・メゾスコピック現象を観察する事にあった。今年度を中心に当研究費配布期間に主に以下の成果を得た。1.ナノ細孔中に金属・カーボンを成長する事で、細孔底に自動形成されている単一ナノトンネルバリアとの結合系が容易に実現できる点に着目。単一ナノトンネル接合/高抵抗量子細線結合系で、単電子トンネリングの典型例であるクーロンブロッケードが起き得る可能性を指摘。我々は単一接合に、アルトシュラーの理論に従う一次元電子間相互作用に起因した高抵抗を持つニッケル量子細線、電子波の位相干渉の結果生じ、エネルギー散逸を伴わない局在現象に依存して高抵抗を持つ多層カーボンナノチューブ、を各々直結した両系で異なるクーロンブロッケードが生じる可能性を発見した。前者では外部電磁場環境の位相揺らぎエネルギーと帯電エネルギーの競合が重要である事を、後者では外部でのエネルギー散逸はクーロンブロッケードを作るが、位相相関理論で指摘されるような抵抗量子より大きい外部環境インピーダンスは不必要であるかもしれない事を、初めて指摘した。またこのトンネリングに際した外部環境でのエネルギー散逸の実験が巨視的量子トンネリング(MQT)の観点からも重要である事を指摘した。2.ナノ細孔中に多層カーボンナノチューブを気層成長で規則形成する事に成功。多層カーボンナノチューブにおける電子波位相干渉効果が、コンタクト層としてチューブ先端にデポした金属のわずか5%程度の拡散に極めて敏感であり、軽いコンタクト材料(C,Al)系では弱局在が、重い材料(Au,Pt)系ではスピン・軌道相互作用により反局在が、各々AAS振動中に出現する事を初めて見出した。3.ニッケル量子細線アレイで磁気抵抗の跳びを確認し、これが磁壁のMQTに基づいている可能性を指摘し、細線中に存在し得る弱局在がこのMQTによっても破壊されない可能性を初めて指摘した。またこのMQTの出現がトンネルバリア層の有無に相関を持つ可能性も現在確認中である。4.その他、蜂の巣状の量子細線(ニッケル・半導体)間の電子輸送特性において磁場に依存した周期的なコンダクタンス振動が見られる事、ニッケル細線アレイサンプルの保持力が細線直径に大きく依存する事、等を発見し調査中である。
また構造パラメータの制御方法もさらに開発中であり、特に細孔系の5nm付近までの縮小も電流密度により制御出来る事も発見している。細孔中にデポ可能な物質の種類も増やし、現在、磁性金属(Ni,Fc,Co)、非磁性金属(Cu,Au)、II-IV族半導体(CdS,CdSe)、有機物質(カーボンナノチューブ、メチル基物質)等が可能であり、その質を向上させるためにさらにデポ条件の最適化を図っている。

研究成果

• [文献書誌] J.Haruyama: "Abrupt magenetoresistance jumps in Ni-nanowire systems and Coulomb blockade under elastic environment in Carbon nanotube/single junction systems"Macroscopic quantum coherence and computation. (印刷中). 20 (2001)
• [文献書誌] J.Haruyama: "Electron-electron interaction and weak localization yielding Coulomb blockade"NATO ARW on size dependent magnetic scattering,. (印刷中). (2001)
• [文献書誌] J.Haruyama: "Mesoscopic phenomena in Nano-porous Alumina films : Single nano-tunnel junctions connected to Ni-nanowires and Carbon nanotubes"Appl.Sur.Sci. 6869. 1-9 (2001)
• [文献書誌] J.Haruyama: "Coulomb blockade related to an anti-localization effect in external environment in an array of single tunnel junctions/Carbon nanotubes"Japanese J.Appl.Phys. 40,3B(印刷中). (2001)
• [文献書誌] J.Haruyama: "Spontaneous charge polarization wave related to single electron tunneling in a Junction cell array with non-uniform parameters"Japanese J.Appl.Phys. 40,3B(印刷中). (2001)
• [文献書誌] J.Haruyama: "Coulomb blockade related to a localization effect in external environment in a single tunnel junctions/Carbon nanotubes system"Phys.Rev.B. 63. 073406.1-4 (2001)
• [文献書誌] J.Haruyama: "Coulomb blockade with mutual Coulomb interaction in external environment in an array of single tunnel junction/nanowire"Phys.Rev.B. 62. 8420-8429 (2000)
• [文献書誌] J.Haruyama: "Influence of phase fluctuation in external environment on Coulomb blockade in an array system of single tunnel junctions/Ni-nanowires"Appl.Phys.Lett.. 76. 1698-1700 (2000)
• [文献書誌] J.Haruyama: "Coulomb blockade in a single tunnel junction directly connected to a multiwalled Carbon nanotube"Appl.Phys.Lett.. 77. 2891-2893 (2000)
• [文献書誌] J.Haruyama: "Coulomb blockade in single tunnel junction connected to nanowire and Carbon nanotube : Can mutual Coulomb interaction and weak localization play the role of high impedance environment"Quantum Mesoscopic Phenomena and Mesoscopic Devices in Microelectronics NATO Science series. C-559. 145-160 (2000)
• [文献書誌] 武末出美: "武末出美,長谷川哲郎,春山純志,"カーボンナノチューブへの不純物拡散と位相反転:スピン反転偏極注入"、"電子情報通信学会技術研究報告. (印刷中). (2001)
• [文献書誌] 加藤周: "強磁性体量子細線アレイにおける磁気抵抗の跳びと巨視的量子トンネリングの相関"電子情報通信学会技術研究報告. (印刷中). (2001)
• [文献書誌] 春山純志: "微小多孔質アルミナ膜を用いた量子効果素子の検討"電子情報通信学会技術研究報告 単電子/量子効果デバイスを含む極微細デバイスと界面制御. ED99-306-318. 65-72 (2000)
• [文献書誌] 福田茂伸: "不均一接合パラメータを含む微小トンネル接合アレイでの自発分極"電子情報通信学会技術研究報告 単電子/量子効果デバイスを含む極微細デバイスと界面制御. ED99-306-318. (2000)
• [文献書誌] 春山純志: "単一電子トンネリング入門"コロナ社(印刷中). (2001)