先端グラフェンNEMS技術を基盤とする革新的熱フォノンエンジニアリング素子の創製

2017 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 16K13650
• 研究機関: 北陸先端科学技術大学院大学
• 研究代表者: 水田 博 北陸先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 教授 (90372458)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2018-03-31
• キーワード: ナノマシン / 先端機能デバイス / マイクロ・ナノデバイス / 熱工学

研究実績の概要

数ミクロンスケールの大面積グラフェンNEMSを安定的に作製するプロセスを開発し、シリコン基板上に電極付き大面積グラフェン両持ち梁NEMS構造（幅・長さ～4 μm）を作製した。その大面積グラフェン両持ち梁をビーム径～0.3 nmの収束ヘリウムイオンビームを用いて直接ミリング加工することにより、ナノ孔直径3 - 4 nm、孔間隔～10 nmの２次元周期ナノ孔構造（グラフェンフォノニック結晶）を形成することに成功した。イオンビーム加工に要した時間は約７分であり、加工中のドリフトによる２次元構造の乱れは無視できるほど小さいことを確認した。また、３次元有限要素法を用いたグラフェンフォノニック結晶のシミュレーションから、形成されるフォノニックバンドギャップの帯域と孔寸法・間隔依存性を明らかにした。
作製したグラフェンフォノニック結晶素子の２端子電気特性を室温～150 Kの温度領域で測定し、隣接するナノ孔間ネック領域での量子閉じ込め効果に起因する室温でのバンドギャップ形成と、低温でのトランスポートギャップ増大を観測した。これはヘリウムイオンビーム裾によってナノ孔周辺に生じた局所的ダメージ（点欠陥）に起因するものと考えられる。
また、原子レベルでのナノ孔形状乱れを取り入れたアトムスケールフォノン分散スペクトル計算を実施し、ナノ孔周辺での形状乱れに伴うフォノン空間分布の変化が孔エッジから数原子の範囲に留まり、フォノン分散関係への影響も小さいことを見出した。

研究成果

• [国際共同研究] サウサンプトン大学(英国)
  • 国名: 英国
  • 外国機関名: サウサンプトン大学
• [国際共同研究] トリニティカレッジダブリン(アイルランド)
  • 国名: アイルランド
  • 外国機関名: トリニティカレッジダブリン
• [雑誌論文] Sub-10-nm graphene nano-ribbon tunnel field-effect transistor (2018)
  • 著者名/発表者名: Hamam Ahmed M.M.、Schmidt Marek E.、Muruganathan Manoharan、Suzuki Shunei、Mizuta Hiroshi
  • 雑誌名: Carbon 巻: 126 ページ: 588～593
  • DOI: 10.1016/j.carbon.2017.09.091
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Graphene Nanomechanical Resonator Mass Sensing of Mixed H2/Ar Gas (2018)
  • 著者名/発表者名: Muruganathan Manoharan、Seto Fumihiro、Mizuta Hiroshi、School of Material Science, Japan Advanced Institute of Science and Technology Nomi 923-1211, Japan、Hitachi Cambridge Laboratory, Cambridge, United Kingdom
  • 雑誌名: International Journal of Automation Technology 巻: 12 ページ: 24～28
  • DOI: 10.20965/ijat.2018.p0024
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Contrast Differences Between Nitrogen and Helium Ion Induced Secondary Electron Images Beyond Instrument Effects (2018)
  • 著者名/発表者名: Schmidt Marek E.、Ogawa Shinichi、Mizuta Hiroshi
  • 雑誌名: MRS Advances 巻: in press ページ: 1～6
  • DOI: 10.1557/adv.2018.33
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Structurally Controlled Large-Area 10 nm Pitch Graphene Nanomesh by Focused Helium Ion Beam Milling (2018)
  • 著者名/発表者名: Schmidt Marek Edward、Iwasaki Takuya、Muruganathan Manoharan、Haque Mayeesha、Van Ngoc Huynh、Ogawa Shinichi、Mizuta Hiroshi
  • 雑誌名: ACS Applied Materials & Interfaces 巻: 10 ページ: 10362～10368
  • DOI: 10.1021/acsami.8b00427
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] All Two-Dimensional Materials Three-Terminal Graphene Nanoelectromechanical Switch (2018)
  • 著者名/発表者名: Ngoc Huynh Van, Manoharan Muruganathan, Jothiramalingam Kulothungan and Hiroshi Mizuta
  • 雑誌名: Nanoscale 巻: in press ページ: in press
  • DOI: 10.1039/C7NR08439K
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Controlled fabrication of electrically contacted carbon nanoscrolls (2018)
  • 著者名/発表者名: Schmidt Marek E、Hammam Ahmed M M、Iwasaki Takuya、Kanzaki Teruhisa、Muruganathan Manoharan、Ogawa Shinichi、Mizuta Hiroshi
  • 雑誌名: Nanotechnology 巻: 29 ページ: 235605～235605
  • DOI: 10.1088/1361-6528/aab82c
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Study of dynamic contacts for graphene nano-electromechanical switches (2017)
  • 著者名/発表者名: Wang Wenzhen、Muruganathan Manoharan、Kulothungan Jothiramalingam、Mizuta Hiroshi
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 56 ページ: 04CK05～04CK05
  • DOI: 10.7567/JJAP.56.04CK05
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Interaction study of nitrogen ion beam with silicon (2017)
  • 著者名/発表者名: Schmidt Marek E.、Zhang Xiaobin、Oshima Yoshifumi、Anh Le The、Yasaka Anto、Kanzaki Teruhisa、Muruganathan Manoharan、Akabori Masashi、Shimoda Tatsuya、Mizuta Hiroshi
  • 雑誌名: Journal of Vacuum Science & Technology B 巻: 35 ページ: 03D101～03D101
  • DOI: 10.1116/1.4977566
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Nitrogen Gas Field Ion Source (GFIS) Focused Ion Beam (FIB) Secondary Electron Imaging: A First Look (2017)
  • 著者名/発表者名: Schmidt Marek E.、Yasaka Anto、Akabori Masashi、Mizuta Hiroshi
  • 雑誌名: Microscopy and Microanalysis 巻: 23 ページ: 758～768
  • DOI: 10.1017/S1431927617000502
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Sharp switching behaviour in graphene nanoribbon p-n junction (2017)
  • 著者名/発表者名: Hammam Ahmed M.M.、Schmidt Marek E.、Muruganathan Manoharan、Mizuta Hiroshi
  • 雑誌名: Carbon 巻: 121 ページ: 399～407
  • DOI: 10.1016/j.carbon.2017.05.097
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] Phononic bandgap formation in single nanometer graphene nanomesh (2018)
  • 著者名/発表者名: M. Haque, M. E. Schmidt, M. Muruganathan, I. Katayama, J. Takeda, S. Ogawa, H. Mizuta
  • 学会等名: The 1st JAIST World Conference (JWC2018), Nomi, 27-28 February
  • 国際学会
• [学会発表] Recent progress of graphene-based nanoelectromechanical (GNEM) contact switches (2018)
  • 著者名/発表者名: J. Kulothungan, V. H. Ngoc, M. Muruganathan, H. Mizuta
  • 学会等名: The 1st JAIST World Conference (JWC2018), Nomi, 27-28 February
  • 国際学会
• [学会発表] Graphene nano-electro-mechanical (NEM) devices for advanced applications (2018)
  • 著者名/発表者名: H. Mizuta, M. E. Schmidt, S. Ogawa and M. Muruganathan
  • 学会等名: The 1st JAIST World Conference (JWC2018), Nomi, 27-28 February
  • 国際学会
• [学会発表] Graphene nano-electro-mechanical (NEM) devices: Sub-thermal switching, single-molecular sensing and heat phonon engineering (2018)
  • 著者名/発表者名: H. Mizuta, M. E. Schmidt, S. Ogawa and M. Muruganathan
  • 学会等名: The 2nd Nippon-Taiwan Workshop on Innovation of Emergent Materials, Nomi, 1-2 March
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Graphene nano-electro-mechanical (GNEM) devices functionalized by using helium ion beam (2018)
  • 著者名/発表者名: H. Mizuta, M. Muruganathan, S. Ogawa and M. Schmidt
  • 学会等名: 2nd international HeFIB conference on Helium and emerging Focused Ion Beams (HeFIB2018), Dresden, June 11 - 13
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Phononic Bandgap Engineering in Single Nanometer Graphene Nanomesh (2018)
  • 著者名/発表者名: Mayeesha M. Haque, Marek E. Schmidt, Manoharan Muruganathan, Ikufumi Katayama, Jun Takeda, Shinichi Ogawa, Hiroshi Mizuta
  • 学会等名: Phonons 2018 & PTES 2018 Joint Conference, Nanjing, China, May 30 - Jun 03
  • 国際学会
• [学会発表] グラフェンNEMS: 単分子センシングから熱フォノン制御応用まで (2018)
  • 著者名/発表者名: 水田 博，Jian Sun, Huynh Van Ngoc, Marek E. Schmidt, 小川 真一, Manoharan Muruganathan
  • 学会等名: 東海シンポジウム：機能性ナノ構造体の構築とその利用 - ;新規産業創出を目指して - 2018年1月11日・12日、名古屋国際会議場, 名古屋
  • 招待講演
• [学会発表] Three-Terminal Graphene Nanoelectromechanical (NEM) Switch (2018)
  • 著者名/発表者名: Manoharan Muruganathan, Huynh Van Ngoc, Jothiramalingam Kulothungan, Hiroshi Mizuta
  • 学会等名: 第65回応用物理学会春季学術講演会 2018年3月17日-20日、早稲田大学西早稲田キャンパス・ベルサール高田馬場, 東京
• [学会発表] Probing graphene nanomesh fidelity by electrical transport measurement (2018)
  • 著者名/発表者名: Marek Edward Schmidt, Takuya Iwasaki, Manoharan Muruganathan, Mayeesha Haque, Ngoc V. Huynh, Shinichi Ogawa, Hiroshi Mizuta
  • 学会等名: 第65回応用物理学会春季学術講演会 2018年3月17日-20日、早稲田大学西早稲田キャンパス・ベルサール高田馬場, 東京
• [学会発表] グラフェンナノリボンを用いたN2/アセトン混合ガスの検出 (2018)
  • 著者名/発表者名: 谷内 翔, 武富 康平, 酒井 啓, 齋藤 修平, ムルガナタン マノハラン, 水田 博
  • 学会等名: 第65回応用物理学会春季学術講演会 2018年3月17日-20日、早稲田大学西早稲田キャンパス・ベルサール高田馬場, 東京
• [学会発表] グラフェン狭窄素子の輸送特性のメカニズム (2018)
  • 著者名/発表者名: 岩崎 拓哉, Wang Zhongwang, Muruganathan Manoharan, 水田 博
  • 学会等名: 第65回応用物理学会春季学術講演会 2018年3月17日-20日、早稲田大学西早稲田キャンパス・ベルサール高田馬場, 東京
• [学会発表] Stacked nanocrystalline graphene-based Nano-Electro-Mechanical (NEM) contact switch architecture with low pull-in voltage (2018)
  • 著者名/発表者名: Jothiramalingam Kulothungan, Marek E. Schmidt, Manoharan Muruganathan, Hiroshi Mizuta
  • 学会等名: 第65回応用物理学会春季学術講演会 2018年3月17日-20日、早稲田大学西早稲田キャンパス・ベルサール高田馬場, 東京
• [学会発表] グラフェン振動子を用いたゼプトグラムレベルの質量変化検出 (2018)
  • 著者名/発表者名: 瀬戸 文博, ムルガナタン マノハラン, 宮下 寛也, 水田 博
  • 学会等名: 第65回応用物理学会春季学術講演会 2018年3月17日-20日、早稲田大学西早稲田キャンパス・ベルサール高田馬場, 東京
• [学会発表] 広帯域顕微コヒーレントフォノン分光法の開発 (2018)
  • 著者名/発表者名: 田岡 裕貴, 神島 悠司, 奈良 脩平, 嵐田 雄介, 小川 真一, Mayeesha Haque, Marek Schmidt, Manoharan Muruganathan, 水田 博, 片山 郁文, 武田 淳
  • 学会等名: 第65回応用物理学会春季学術講演会 2018年3月17日-20日、早稲田大学西早稲田キャンパス・ベルサール高田馬場, 東京
• [学会発表] Suspension of large, electrically contacted graphene for sub-15-nm phononic crystal patterning (2018)
  • 著者名/発表者名: Marek Edward Schmidt, Mayeesha Haque, Manoharan Muruganathan, Ikufumi Katayama, Jun Takeda, Shinichi Ogawa, Hiroshi Mizuta
  • 学会等名: 第65回応用物理学会春季学術講演会 2018年3月17日-20日、早稲田大学西早稲田キャンパス・ベルサール高田馬場, 東京
• [学会発表] Single carrier transport in monolayer graphene nano-devices (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Iwasaki, M. Muruganathan, H. Mizuta
  • 学会等名: IV Bilateral Italy-Japan Seminar Innovative Solutions for Single Atom Applications in Photonics and Nanoelectronics,Colico, Lago di Como, Italy, 2-4 May
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Physisorption doping induced multiple dots behavior in graphene nanoconstrictions (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Iwasaki, Z. Wang, J. Reynolds, M. Muruganathan, H. Mizuta
  • 学会等名: Silicon Nanoelectronics Workshop, Kyoto, Japan, 4-5 June
  • 国際学会
• [学会発表] Multifunctional graphene nano-electromechanical (GNEM) devices for Extreme Sensing (2017)
  • 著者名/発表者名: Manoharan Muruganathan, D. Kato, F. Seto, J. Sun, M. E. Schmidt, and H. Mizuta
  • 学会等名: Advances in Functional Materials International Conference, University of California, Los Angeles, USA, 14-17 August
  • 国際学会
• [学会発表] Graphene nano-electro-mechanical (NEM) devices for extreme sensing applications (2017)
  • 著者名/発表者名: H. Mizuta, F. Seto, M. E. Schmidt, H. Van Ngoc and M. Muruganathan
  • 学会等名: Simulation of Semiconductor Processes and Devices (SISPAD 2017) Workshop 2 "Simulation of Advanced Sensors", Kamakura, 6 September
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Sub-10-nm Pitch Nanopore Array in Graphene by Helium Ion Beam Milling for Heat Phonon engineering (2017)
  • 著者名/発表者名: Marek E. Schmidt, Teruhisa Kanzaki, Mayeesha Haque, Takuya Iwasaki, Manoharan Muruganathan, Shinichi Ogawa and Hiroshi Mizuta
  • 学会等名: HybridQS Workshop, Miyagi-Zao, Japan, 10-13 September
  • 国際学会
• [学会発表] Observation of Single Carrier Transport Behavior in Graphene Nano Constrictions (2017)
  • 著者名/発表者名: Zhongwang Wang, Takuya Iwasaki, Manoharan Muruganathan and Hiroshi Mizuta
  • 学会等名: 43rd International Conference on Micro and Nanoengineering (MNE 2017), Braga, Portugal, 18-22 September
  • 国際学会
• [学会発表] Tip-Enhanced Raman characterization of He-ion-irradiated CVD graphene channels (2017)
  • 著者名/発表者名: Taharh Zelai, Takuya Iwasaki, Stuart Boden, Harold Chong, Hiroshi Mizuta, and Yoshishinge Tsuchiya
  • 学会等名: 43rd International Conference on Micro and Nanoengineering (MNE 2017), Braga, Portugal, 18-22 September
  • 国際学会
• [学会発表] Tunable Total Optical Absorption in a Metal-Insulator-Graphene Plasmonic Device (2017)
  • 著者名/発表者名: N. Matthaiakakis, H. Mizuta and M. D. B. Charlton
  • 学会等名: Graphene Week 2017, Athens, 25 - 29 September
  • 国際学会
• [学会発表] Single-nanometer functional graphene devices patterned with helium ion beam (2017)
  • 著者名/発表者名: H. Mizuta, M. E. Schmidt, T. Kanzaki, S. Ogawa, M. Muruganathan
  • 学会等名: AVS 64th International Symposium & Exhibition, Tampa, 30 Oct - 3 Nov
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Contrast Differences Between Nitrogen and Helium Ion Induced Secondary Electron Images beyond Instrument Effects (2017)
  • 著者名/発表者名: M.E. Schmidt, S. Ogawa and H. Mizuta
  • 学会等名: 2017 MRS Fall Meeting & Exhibition, Boston, 26th November - 1st December
  • 国際学会
• [学会発表] Downscaled graphene nano-electro-mechanical (NEM) devices for extreme sensing and phonon engineering applications (2017)
  • 著者名/発表者名: H. Mizuta, H. Van Ngoc, M. E. Schmidt, M. Haque, T. Iwasaki, S. Ogawa, M. Muruganathan
  • 学会等名: 2nd International Carbon Materials Conference & Exhibition (Carbontech2017), Beijing, 18-19 December
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Graphene-2D Materials Nanoelectromechanical (NEM) Devices and Its Extreme Sensitivity (2017)
  • 著者名/発表者名: Manoharan Muruganthan, Huynh Van Ngoc, Jothiramalingam Kulothungan, Marek E. Schmidt, Hiroshi Mizuta
  • 学会等名: Nanotech Middle East Conference, Dubai, U.A.E Dec 4 - 6
  • 国際学会
• [学会発表] グラフェンNEMS上でのシングルナノスケールフォノニック結晶の作製 (2017)
  • 著者名/発表者名: 水田 博, Marek Schmidt, Mayeesha Haque, 小川 真一, 衛藤 宏明, Manoharan Muruganathan
  • 学会等名: 応用物理学会フォノンエンジニアリング研究グループ JST「微小エネ」領域合同研究会 2017年7月14日-15日 熱海
• [学会発表] グラフェン振動子を用いたアトグラムレベルの質量変化検出 (2017)
  • 著者名/発表者名: 瀬戸 文博, マノハラン ムルガナタン, 水田 博
  • 学会等名: 2017年9月5日-8日 福岡国際会議場・国際センター・福岡サンパレス, 福岡
• [学会発表] Effects of structural dimensions on phonon bandgaps in nanopatterned graphene phononic crystals (2017)
  • 著者名/発表者名: Mayeesha M. Haque, Marek E. Schmidt, Takuya Iwasaki, Manoharan Muruganathan, Hiroshi Mizuta
  • 学会等名: 2017年9月5日-8日 福岡国際会議場・国際センター・福岡サンパレス, 福岡
• [学会発表] Low pull-in operation and high switching endurance observed for a graphene-hBN van der Waals contact NEMS switch (2017)
  • 著者名/発表者名: Huynh Van Ngoc, Jothiramalingam Kulothungan, Manoharan Muruganathan, Hiroshi Mizuta
  • 学会等名: 2017年9月5日-8日 福岡国際会議場・国際センター・福岡サンパレス, 福岡
• [学会発表] Effect of surface condition on ion induced secondary electron contrast in carbon-based samples (2017)
  • 著者名/発表者名: Marek E. Schmidt, Shinichi Ogawa, Hiroshi Mizuta
  • 学会等名: 第78回応用物理学会秋季学術講演会 シンポジウム「GFIS(電界電離ガスイオン源)・先端イオン源顕微鏡技術とその材料・デバイス研究開発への応用」 2017年9月7日 福岡国際会議場・国際センター・福岡サンパレス, 福岡
• [学会発表] Single-nanometer graphene patterning with helium ion beam for extreme sensing and phonon engineering applications (2017)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Mizuta, Marek E. Schmidt, Mayeesha Haque, Shinichi Ogawa, Manoharan Muruganathan
  • 学会等名: 第78回応用物理学会秋季学術講演会 シンポジウム「GFIS(電界電離ガスイオン源)・先端イオン源顕微鏡技術とその材料・デバイス研究開発への応用」 2017年9月7日 福岡国際会議場・国際センター・福岡サンパレス, 福岡
  • 招待講演
• [学会発表] サスペンデッドグラフェンナノリボンのデバイス構造の作製 (2017)
  • 著者名/発表者名: 水谷 加奈子、張 暁賓、マレク シュミット、マノハラン ムルガナタン、水田 博、大島 義文
  • 学会等名: 第78回応用物理学会秋季学術講演会 2017年9月5日-8日 福岡国際会議場・国際センター・福岡サンパレス, 福岡
• [図書] Nitrogen Ion Microscopy, Ion Beams (2018)
  • 著者名/発表者名: Marek E. Schmidt, Masashi Akabori, and Hiroshi Mizuta
  • 総ページ数: 29
  • 出版者: InTech
  • ISBN: 978-953-51-6090-8
• [図書] NEMS技術とフォノンエンジニアリング 『マイクロ・ナノスケールの次世代熱制御技術 フォノンエンジニアリング』 (2017)
  • 著者名/発表者名: 水田博, マレク シュミット, 小川真一, マノハラン ムルガナタン
  • 総ページ数: 9
  • 出版者: NTS出版
  • ISBN: 978-4-86043-509-7
• [備考] 水田教授が文部科学大臣表彰 科学技術賞受賞
  • URL: https://www.jaist.ac.jp/whatsnew/press/2018/04/11-1.html