• 研究課題をさがす
  • 研究者をさがす
  • KAKENの使い方
  1. 課題ページに戻る

2019 年度 実績報告書

シングルナノスケール・グラフェンNEMS技術を基盤とする熱フォノン制御技術の創製

研究課題

研究課題/領域番号 18H03861
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)

研究分担者 森田 行則  国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 研究グループ長 (60358190)
武田 淳  横浜国立大学, 大学院工学研究院, 教授 (60202165)
研究期間 (年度) 2018-04-01 – 2022-03-31
キーワードNEMS / グラフェン / フォノンエンジニアリング / イオンビーム
研究実績の概要

タスク【T1】長さ・幅200 nm ~数umのマルチスケール宙吊りグラフェン梁上に、集束ヘリウムイオンビームによって孔直径~6nm、ピッチ15 ~ 50 nmのアレイを全面(フルメッシュFM-GPnC構造)と半面(HM-PnC構造)で形成した。また、クロス形状ナノ孔GPnC構造に対して、3次元有限要素法でフォノン分散関係を解析し、従来の円形ナノ孔と同じピッチであっても、クロス構造の方がフォノンバンドギャップ広帯域化と群速度低下で優位性があることを見出した。
タスク【T2】7.5 fs超短パルスチタンサファイアレーザーを用い、イオン液体によりゲート電圧を印加した単層グラフェンのポンプ・プローブ分光計測を行い、電子励起に伴うディラック電子の超高速エネルギー・運動量緩和と高周波振動を観測した。その結果、バイアス印加に伴う緩和経路のブロッキングとポンプ光照射に伴う’熱効果’による光伝導の超高速変調を見出すことができた。また、顕微分光によりグラフェンの高周波フォノンに対するファノ効果(電子・格子相互作用)の層厚依存性を見出した。
タスク【T3】FM-GPnC構造、および幅500~100 nmの並列宙吊りグラフェンナノリボン構造の電気伝導特性を温度300 - 10 Kで評価した。コンダクタンスの温度依存性から活性化エネルギーEa(トランスポートギャップ)を抽出し、FM-GPnCにおけるEaの孔隙率(0 - 15%)依存性を見出した。並列グラフェンナノリボン構造については、有効リボン幅依存性が見られないことから、得られたEaの孔隙率依存性はナノ孔間量子閉じ込めと孔周辺の点欠陥による電子局在に起因していることがわかった。
タスク【T4】HM-PnC構造に、マイクロヒータと温度センサ電極を集積化した熱伝導整流性評価デバイスを作製し、ヒータ・センサの基本特性(抵抗‐パワー相関)を評価した。

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

タスク【T1】では、GPnCの原子スケール作製では、大面積の宙吊りグラフェン両持ち梁全面に集束ヘリウムイオンビームミリングによりナノ孔アレイを加工するプロセスにおいて、グラフェン梁が破断する問題が生じたが、ナノ孔のピッチとイオンビーム照射量、照射時間の最適化を行い、さらにグラフェン梁支持部とリボン両端にビームを照射しない~50 nm程度の保護部を設けることで問題を回避し、ナノ孔直径~6nm、最小ナノ孔ピッチ~15 nmのフルメッシュおよびハーフメッシュGPnC構造を安定的に形成することに成功した。
また、ナノ空間の電子・フォノン伝播を計測するため、タスク【T2】において研究後半で実施予定であった超高真空下で動作する光・テラヘルツ走査トンネル顕微鏡(光・THz-STM)を前倒しで構築し、その動作テストとして、光照射に伴うGe2Sb2Te5(GST)相変化材料の結晶相とアモルファス相の電子状態の相違をナノ空間でグリッドマッピングし、相変化が5x5 nm2程度のナノ空間で生じることを見出すことができた。さらに、タスク【T3】では、宙吊りグラフェン梁を台形型に加工したチャネルや、GPnCをチャネルの半面だけに導入したハーフメッシュ構造など、当初計画にはなかった空間的非対称チャネル新構造を作製し、その基本的電気特性評価を行うことに成功した。これらは当初計画を上回る進展である。

今後の研究の推進方策

タスク【T1】電子線直接描画と集束HIBMを併用して、ナノ孔寸法と周期の異なるGPnCユニットセルを重ねてブリルアンゾーンを制御し、フォノンバンドギャップ帯域の制御とゾーン・フォールディングによる群速度低下を狙う。3次元有限要素法により、GPnCユニットセルの構造パラメータを変化させてフォノン分散、状態密度、群速度を定量的に解析する。また、ハーフメッシュ構造などナノ孔を局所的に導入したチャネル構造や、チャネル幅が異なるナノリボンを直列接続したヘテロ接合構造など、空間的非対称性を導入することによる熱フォノン伝搬の非対称性の発現を探索する。
タスク【T2】強度と位相を制御して光・テラヘルツ波を照射できる超高真空光・THz-STMを用いて、宙づりグラフェンにおける熱フォノン伝搬特性の評価を行う。最初にDCバイアス印加による電流・電圧特性評価を行う。位相・強度を制御した光・THzを探針近傍に照射し、ナノスケールでのトンネル電子計測を行う。STMの探針をナノスケールで移動させながら光・テラヘルツ照射前のトンネル電子を計測し、電子状態のマッピングを行う。次に、光・テラヘルツ照射に伴うトンネル電子計測のマッピングを行い、両者の比較から、熱・フォノン伝播の影響を議論する。
タスク【T3】波動性フォノン伝播変調・制御機構の開拓においては、【T1】で作製した空間非対称性をもつナノフォノニック構造をフォノン波散乱体として中心に設けた4端子サスペンデッド素子構造を作製する。シリコン基板をグローバルゲートとしてバックゲート電圧を印加し、応力印加によるフォノン伝播指向性変調の可能性を探索する。
タスク【T4】GPnCチャネルの下部あるいは上部にアクチュエーション電極を作製し、電界で引っ張り応力を加え、GPnCの熱フォノン伝搬特性を変調する方法で新奇な3端子熱スイッチング素子の開発を行う。

  • 研究成果

    (16件)

すべて 2020 2019

すべて 雑誌論文 (3件) (うち国際共著 3件、 査読あり 3件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (13件) (うち国際学会 4件、 招待講演 4件)

  • [雑誌論文] Conductance Tunable Suspended Graphene Nanomesh by Helium Ion Beam Milling2020

    • 著者名/発表者名
      Fayong Liu, Zhongwang Wang, Soya Nakanao, Shinichi Ogawa, Yukinori Morita, Marek Schmidt, Mayeesha Haque, Manoharan Muruganathan and Hiroshi Mizuta
    • 雑誌名

      Micromachines

      巻: 11 ページ: -

    • DOI

      10.3390/mi11040387

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Dielectric-Screening Reduction Induced Large Transport Gap in Suspended Sub-10-nm Graphene Nanoribbon Functional Devices2019

    • 著者名/発表者名
      Marek E. Schmidt, Manoharan Muruganathan, Teruhisa Kanzaki, Takuya Iwasaki, Ahmed M. M. Hammam, Shunei Suzuki, Shinichi Ogawa, Hiroshi Mizuta
    • 雑誌名

      Small

      巻: 15 ページ: 1903025(1-7)

    • DOI

      10.1002/smll.201903025

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Electrically controlled valley states in bilayer graphene2019

    • 著者名/発表者名
      Afsal Kareekunnan, Manoharan Muruganathan, Hiroshi Mizuta
    • 雑誌名

      Nanoscale

      巻: 11 ページ: 14707-14711

    • DOI

      10.1039/C9NR03621K

    • 査読あり / 国際共著
  • [学会発表] Negative magnetoresistance in helium-ion-irradiated graphene2020

    • 著者名/発表者名
      Takuya Iwasaki, Manoharan Muruganathan, Masashi Akabori, Yoshifumi Morita, Satoshi Moriyama, Shinichi Ogawa, Yutaka Wakayama, Hiroshi Mizuta, Shu Nakaharai
    • 学会等名
      第67回応用物理学会春季学術講演会
  • [学会発表] Finite Element Method (FEM) Simulation on Snowflake Shaped Graphene Phononic Crystal2020

    • 著者名/発表者名
      M. Haque, S. Kubo, G. Ellrott, K. Afsal, M. Muruganathan, H. Mizuta
    • 学会等名
      第67回応用物理学会春季学術講演会
  • [学会発表] Transport properties of large-area fully & half meshed suspended graphene2020

    • 著者名/発表者名
      F. Liu, S. Nakano, M. Haque, Z. Wang, M. Schmidt, S. Ogawa, Y. Morita, M. Manoharan, H. Mizuta
    • 学会等名
      第67回応用物理学会春季学術講演会
  • [学会発表] 表面電子系の高強度THz現象解明へ向けた超高真空THz-STMの開発2020

    • 著者名/発表者名
      小玉暢之、嵐田雄介、浅川寛太、金島圭佑、片山郁文、武田 淳
    • 学会等名
      日本物理学会第75回年次大会
  • [学会発表] Fabry-Pérot resonances in narrowly separated p-n interfaces in hBN/graphene/hBN with quantum point contact2019

    • 著者名/発表者名
      S. Nakaharai, N. Fariha Ahmad, T. Iwasaki, K. Komatsu, K.Watanabe, T. Taniguchi, H. Mizuta, Y. Wakayama, A. Manaf Hashim, Y. Morita, S. Moriyama
    • 学会等名
      The 11th annual Recent Progress in Graphene and Two-dimensional Materials Research Conference
    • 国際学会
  • [学会発表] Graphene Phononic Crystals based on Nanopore/Nanopillar structures2019

    • 著者名/発表者名
      Manoharan Muruganthan, Seiya Kubo, Haque Mayeesha, Hiroshi Mizuta
    • 学会等名
      International Conference on Global Research and Education, Inter-Academia conference
    • 国際学会
  • [学会発表] グラフェンナノデバイスによる超高感度環境・生体ガスセンシング技術と熱制御技術の現状と展望2019

    • 著者名/発表者名
      水田 博, G. Agbonlahor, 宮下 寛也, 古川 篤, F. Liu, M. Haque, 中野 颯也, M. Muruganathan, 槇 恒, 恩田 陽介, 服部 将志, 下舞 賢一, 関根 嘉香
    • 学会等名
      北陸産業活性化フォーラム
    • 招待講演
  • [学会発表] Helium Ion Beam Milling Patterned Suspended Graphene Double Quantum Dots2019

    • 著者名/発表者名
      Z. Wang, M. Muruganathan, Marek E. Schmidt, Y. Morita, S. Ogawa, H. Mizuta
    • 学会等名
      第80回応用物理学会秋季学術講演会
  • [学会発表] グラフェンNEMSとナノイオンビーム加工技術:サブサーマルスイッチング・極限センシング・熱フォノン制御への応用2019

    • 著者名/発表者名
      水田 博
    • 学会等名
      2019年2回極限ナノ造形・構造物性研究会
    • 招待講演
  • [学会発表] Ultrafast Electron Manipulation Using THz Scanning Tunneling Microscopy With Tailor-Made Near Fields2019

    • 著者名/発表者名
      J. Takeda, K. Yoshioka, Y. Arashida, and I. Katayama
    • 学会等名
      International Photonics and OptoElectronics Meetings (POEM 2019)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 光波駆動 STM のための高繰り返しサブサイクル中赤外パルス発生2019

    • 著者名/発表者名
      吉岡克将、五十嵐一歩、吉田昭二、嵐田雄介、片山郁文、武田 淳、重川秀実
    • 学会等名
      第80回応用物理学会秋季学術講演会
  • [学会発表] パルステラヘルツ近接場によるナノスケール・超高速トンネル電子制御2019

    • 著者名/発表者名
      片山郁文、吉岡克将、武田 淳
    • 学会等名
      日本光学会年次学術講演会 Optics Photonics Japan 2019
    • 招待講演
  • [学会発表] Sub-cycle Manipulation of Electrons in a Tunnel Junction with Phase-controlled Single-cycle THz Near-fields2019

    • 著者名/発表者名
      K. Yoshioka, I. Katayama, Y. Arashida, A. Ban, Y. Kawada, H. Takahashi, and J. Takeda
    • 学会等名
      EPJ Web of Conferences
    • 国際学会

URL: 

公開日: 2021-01-27  

サービス概要 検索マニュアル よくある質問 お知らせ 利用規程 科研費による研究の帰属

Powered by NII kakenhi