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2015 年度 実績報告書

二次元原子薄膜の材料物性とデバイス特性を繋ぐオペランド顕微光電子分光

研究課題

研究課題/領域番号 15H03560
研究機関東北大学

研究代表者

吹留 博一  東北大学, 電気通信研究所, 准教授 (10342841)

研究分担者 末光 眞希  東北大学, 電気通信研究所, 教授 (00134057)
研究期間 (年度) 2015-04-01 – 2018-03-31
キーワードオペランド / 二次元原子薄膜 / 顕微分光
研究実績の概要

【学術的背景】二次元原子薄膜のFET(2D-FET)のデバイス特性は物性値から予想される値を下回る。申請者は、グラフェンの成長技術とデバイス技術の高度化を図った結果、世界最高のグラフェンFET(G-FET)の高周波特性を得た。しかし、この特性値ですら物性から予想される値を下回る。このような材料物性(例:キャリア移動度)とデバイス特性のギャップは、二次元原子薄膜の極限的薄さの為に、その物性が界面により変調され易い為に生じるということに申請者は気付いた。このギャップの解消には、動作条件下(オペランド)でデバイスの電子状態を狙った箇所で測定することを可能にするオペランド顕微光電子分光が必要であると着想し、世界に先駆けて確立した
【研究実績の概要】申請者が世界に先駆けて確立した動作条件下の(オペランド)顕微光電子分光を用いた二次元原子薄膜の電子状態のナノスケール直接観察により、界面による物性の変調に起因した材料物性とデバイス特性のギャップを埋めることを目的とする。この目的達成の為に下記三課題を解決する;①ゲート酸化膜の表面化学によるグラフェン・トランジスタ(G-FET)の電子状態の制御、②G-FETの高周波特性を決めるアクセス領域の電子状態の制御、③他の二次元原子薄膜(MoS2, WSe2等)へのオペランド顕微光電子分光の展開。以上より、二次元原子薄膜デバイスの高性能化(例: G-FETのテラヘルツ帯動作)を実現する。
本課題においては、使用する顕微光電子分光装置に予測しない雑音が生じたため遅れたが、課題①を遂行することができた。本装置の雑音が収まったお陰で、実際にオペランド顕微分光測定および関連する電気測定を完了することが出来た。得られた結果から、申請者の予想通りに、ゲート酸化膜の表面化学とデバイス特性に強い相関がみられ、その原因を定量的に解明することが出来た。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

申請者が世界に先駆けて確立した動作条件下の(オペランド)顕微光電子分光を用いた二次元原子薄膜の電子状態のナノスケール直接観察により、界面による物性の変調に起因した材料物性とデバイス特性のギャップを埋めることを目的とする。この目的達成の為に下記三課題を解決する;①ゲート酸化膜の表面化学によるグラフェン・トランジスタ(G-FET)の電子状態の制御、②G-FETの高周波特性を決めるアクセス領域の電子状態の制御、③他の二次元原子薄膜(MoS2, WSe2等)へのオペランド顕微光電子分光の展開。以上より、二次元原子薄膜デバイスの高性能化(例: G-FETのテラヘルツ帯動作)を実現する。この内、課題①の遂行が本年度で解決すべき課題であった。使用する顕微光電子分光装置に予測しない雑音が生じたため、課題①の遂行が一時困難となった。しかし、本装置の雑音が収まったお陰で、実際にオペランド顕微分光測定および関連する電気測定を完了することが出来た。得られた結果から、申請者の予想通りに、ゲート酸化膜の表面化学とデバイス特性に強い相関がみられ、その原因を定量的に解明することが出来た。この課題①の課題が解決できたということから、上記の判断にいたった。

今後の研究の推進方策

上記に述べた三つの課題の内の残りの二つの課題、すなわち、
「G-FETの高周波特性を決めるアクセス領域の電子状態の制御」および「他の二次元原子薄膜(MoS2, WSe2等)へのオペランド顕微光電子分光の展開」を達成する。

  • 研究成果

    (10件)

すべて 2016 2015 その他

すべて 雑誌論文 (1件) (うち査読あり 1件、 謝辞記載あり 1件) 学会発表 (4件) (うち国際学会 1件、 招待講演 4件) 図書 (1件) 備考 (1件) 産業財産権 (3件)

  • [雑誌論文] Observation of nanoscopic charge-transfer region at metal/MoS2 interface2016

    • 著者名/発表者名
      R. Suto, G. Venugopal. K. Tashima, N. Nagamura, K. Horiba, M. Suemitsu, M. Oshima, and H. Fukidome
    • 雑誌名

      Materials Research Express

      巻: 3 ページ: 075004-1-5

    • DOI

      10.1088/2053-1591/3/7/075004

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [学会発表] オペランド顕微分光を用いた電子状態の変調の可視化による先端デバイス開発2016

    • 著者名/発表者名
      吹留博一
    • 学会等名
      理化学研究所放射光連携ワークショップ「空間階層構造の可視化と物質科学研究」
    • 発表場所
      JPタワー、東京
    • 年月日
      2016-02-16 – 2016-02-16
    • 招待講演
  • [学会発表] Operando nanospectroscopy to designate high-performance graphene transistors2015

    • 著者名/発表者名
      吹留博一
    • 学会等名
      日本MRS学会
    • 発表場所
      横浜市開港記念会館、横浜市
    • 年月日
      2015-12-08 – 2015-12-08
    • 招待講演
  • [学会発表] 動作しているデバイスの電子状態の顕微分光法の開拓と学理に基づく二次元電子系デバイスの研究2015

    • 著者名/発表者名
      吹留博一
    • 学会等名
      平成27年度石田實記念財団研究奨励賞受賞講演会
    • 発表場所
      青葉記念会館、仙台市
    • 年月日
      2015-11-27 – 2015-11-27
    • 招待講演
  • [学会発表] Operando Analysis of Field-Effect of Graphene Transistors2015

    • 著者名/発表者名
      Hirokazu Fukidome
    • 学会等名
      EMN 2015
    • 発表場所
      Phuket, Thailand
    • 年月日
      2015-05-01 – 2015-05-01
    • 国際学会 / 招待講演
  • [図書] 講談社ブルーバックス『すごいぞ!身の回りの表面科学』2015

    • 著者名/発表者名
      吹留博一(分担執筆)
    • 総ページ数
      272
    • 出版者
      講談社
  • [備考] 末光・吹留研究室ホームページ

    • URL

      http://www.suemitsu.riec.tohoku.ac.jp/

  • [産業財産権] 電子素子及び製造法2016

    • 発明者名
      舘野泰範、末光眞希、吹留博一、長澤弘幸
    • 権利者名
      国立大学法人東北大学、住友電気工業株式会社
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      特願2016-036122
    • 出願年月日
      2016-02-26
  • [産業財産権] 電子素子及び製造法2016

    • 発明者名
      舘野泰範、末光眞希、吹留博一、長澤弘幸
    • 権利者名
      国立大学法人東北大学、住友電気工業株式会社
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      特願2016-036123
    • 出願年月日
      2016-02-26
  • [産業財産権] 電子素子及び製造法2016

    • 発明者名
      舘野泰範、末光眞希、吹留博一、長澤弘幸
    • 権利者名
      国立大学法人東北大学、住友電気工業株式会社
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      特願2016-036124
    • 出願年月日
      2016-02-16

URL: 

公開日: 2018-01-16  

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