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2019 年度 実施状況報告書

グラフェン積層ヘテロ構造によるスピン・バレー利用型量子デバイスの開発

研究課題

研究課題/領域番号 19K15385
研究機関国立研究開発法人物質・材料研究機構

研究代表者

岩崎 拓哉  国立研究開発法人物質・材料研究機構, 若手国際研究センター, ICYS研究員 (50814274)

研究期間 (年度) 2019-04-01 – 2021-03-31
キーワードグラフェン / 量子ドット / 量子デバイス / 量子ホール効果 / 単電子輸送 / 単電子デバイス
研究実績の概要

二次元材料の積層ヘテロ構造を作製するための独自の転写技術「バブルフリー転写法」を確立させた。この方法では、ホームメイドの転写装置と半球状ポリマー表面を持つスタンプを用いて、半球の斜面の部分で二次元材料の転写を行った。これにより材料間に一定の角度を導入し、斜めから貼り合わせることで界面に気泡の入らない構造を実現することに成功した。この技術により、世界トップクラスの品質を持つ二層グラフェン/六方晶窒化ホウ素(hBN)積層構造デバイスを実現した。さらに、二層グラフェンとhBNの結晶方位角度を揃えて積層させたモアレ超格子構造を作製し、バレーホール効果を観測した。また、同構造を二重量子ドット型に微細加工した。このデバイスにおいて、二重量子ドットにおけるクーロンブロッケード効果およびフラクタル量子ホール効果(ホフスタッターの蝶)、二つの効果を同一のデバイスにおいて観測することに成功した。また、ランダウ量子化に伴うギャップにおいてクーロン振動が消滅する現象を観測した。このことは、単電子輸送と量子ホール効果の切り替わりを示唆している。
また、特定の角度で折り重なった二層グラフェン(計四層)と、片方の二層グラフェンとhBNの結晶方位角度を揃えて積層させた二重のモアレ超格子構造を作製した。このデバイスを低温で測定した結果、二層/二層グラフェンと二層グラフェン/hBN、それぞれの超格子ポテンシャルがキャリア輸送特性に別々に現れることを見出した。
また、hBN/四層グラフェン/hBN積層構造による量子ドットデバイスを作製し、低温にてクーロンブロッケード特性を観測した。

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

積層構造作製技術の確立によりデバイス作製の歩留まりが大幅に向上し、高品質な二層グラフェン/hBNモアレ超格子を実現できている。さらに、モアレ超格子構造における二重量子ドット構造を実現できており、ほぼ当初の計画通りに進展している。

今後の研究の推進方策

確立させたバブルフリー転写法を用いて、高品質な二層グラフェン/hBNモアレ超格子構造を作製し、さらにグラファイトで二重量子ドット型トップゲート+バックゲートを作製することで、電界効果によるポテンシャルでキャリア閉じ込めが可能な量子デバイスを作製する。これにより、少数電子数の量子ドットを実現し、その輸送特性のドット間結合依存性などを調べる。また、バレーホール効果と二重量子ドットにおける単電子輸送の両方が観測可能なデバイスを作製し、バレー流と単電子輸送の相関を調べる。

次年度使用額が生じた理由

共用設備利用料金および出張費用に使用予定であった予算が、研究の進捗状況および出張不可能な状況もあり、次年度への繰り越しをせざるを得ない状況になった。本年度では、この予算で計測装置等の購入や、論文の掲載費用として利用することを検討している。

  • 研究成果

    (16件)

すべて 2020 2019 その他

すべて 雑誌論文 (4件) (うち査読あり 4件) 学会発表 (10件) (うち国際学会 4件、 招待講演 1件) 備考 (1件) 産業財産権 (1件)

  • [雑誌論文] Bubble-Free Transfer Technique for High-Quality Graphene/Hexagonal Boron Nitride van der Waals Heterostructures2020

    • 著者名/発表者名
      Iwasaki Takuya、Endo Kosuke、Watanabe Eiichiro、Tsuya Daiju、Morita Yoshifumi、Nakaharai Shu、Noguchi Yutaka、Wakayama Yutaka、Watanabe Kenji、Taniguchi Takashi、Moriyama Satoshi
    • 雑誌名

      ACS Applied Materials & Interfaces

      巻: 12 ページ: 8533~8538

    • DOI

      10.1021/acsami.9b19191

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Fabrication of folded bilayer-bilayer graphene/hexagonal boron nitride superlattices2020

    • 著者名/発表者名
      Iwasaki Takuya、Morita Yoshifumi、Nakaharai Shu、Wakayama Yutaka、Watanabe Eiichiro、Tsuya Daiju、Watanabe Kenji、Taniguchi Takashi、Moriyama Satoshi
    • 雑誌名

      Applied Physics Express

      巻: 13 ページ: 035003~035003

    • DOI

      10.35848/1882-0786/ab790d

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Single-Carrier Transport in Graphene/hBN Superlattices2020

    • 著者名/発表者名
      Iwasaki Takuya、Nakaharai Shu、Wakayama Yutaka、Watanabe Kenji、Taniguchi Takashi、Morita Yoshifumi、Moriyama Satoshi
    • 雑誌名

      Nano Letters

      巻: 20 ページ: 2551~2557

    • DOI

      10.1021/acs.nanolett.9b05332

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Fabrication and characterization of quantum dot devices based on tetralayer graphene/hexagonal boron nitride heterostructures2019

    • 著者名/発表者名
      Iwasaki Takuya、Kato Taku、Ito Hirohito、WATANABE Kenji、Taniguchi Takashi、Wakayama Yutaka、Hatano Tsuyoshi、Moriyama Satoshi
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics

      巻: 59 ページ: 024001~024001

    • DOI

      10.7567/1347-4065/ab65a8

    • 査読あり
  • [学会発表] High-quality quantum devices based on graphene/hexagonal boron nitride heterostructures fabricated by a bubble-free transfer technique2020

    • 著者名/発表者名
      T. Iwasaki, K. Endo, E. Watanabe, D. Tsuya, Y. Morita, S. Nakaharai, Y. Noguchi, Y. Wakayama, K.Watanabe, T. Taniguchi, and S. Moriyama
    • 学会等名
      MANA International Symposium 2020
    • 国際学会
  • [学会発表] 二層グラフェン/六方晶窒化ホウ素超格子二重量子ドットにおける単キャリア輸送特性2020

    • 著者名/発表者名
      岩崎拓哉, 中払周, 若山裕, 渡邊賢司, 谷口尚, 守田佳史, 森山悟士
    • 学会等名
      日本物理学会第75回年次大会
  • [学会発表] 4層グラフェン/hBNヘテロ構造を用いた量子ドットの電子輸送特性2020

    • 著者名/発表者名
      伊藤博仁, 加藤拓, 岩崎拓哉, 渡邊賢司, 谷口尚, 森山悟士, 羽田野剛司
    • 学会等名
      日本物理学会第75回年次大会
  • [学会発表] 折り重ね二層/二層グラフェン素子の作製とキャリア輸送特性2020

    • 著者名/発表者名
      岩崎拓哉, 中払周, 若山裕, 渡邊賢司, 谷口尚, 守田佳史, 森山悟士
    • 学会等名
      第67回春季応用物理学会学術講演会
  • [学会発表] 二層グラフェン/hBN超格子における単キャリア輸送特性.2020

    • 著者名/発表者名
      岩崎拓哉, 中払周, 若山裕, 渡邊賢司, 谷口尚, 守田佳史, 森山悟士
    • 学会等名
      第67回春季応用物理学会学術講演会
  • [学会発表] バブルフリー転写法による高品質グラフェン/hBN素子の作製2020

    • 著者名/発表者名
      岩崎拓哉, 遠藤滉亮, 渡辺英一郎, 津谷大樹, 守田佳史, 中払周, 野口裕, 若山裕, 渡邊賢司, 谷口 尚, 森山悟士,
    • 学会等名
      第67回春季応用物理学会学術講演会
  • [学会発表] 4 層グラフェン/hBN構造を持つ量子ドットの電気伝導特性2020

    • 著者名/発表者名
      加藤拓, 伊藤博仁, 岩崎拓哉, 渡邊賢司, 谷口尚, 森山悟士, 羽田野剛司
    • 学会等名
      第67回春季応用物理学会学術講演会
  • [学会発表] Quantum Transports in hBN/Graphene Superlattices2019

    • 著者名/発表者名
      T. Iwasaki, K. Komatsu, K. Endo, S. Nakaharai, Y. Noguchi, Y. Wakayama, E. Watanabe, D. Tsuya, K.Watanabe, T. Taniguchi, Y. Morita, and S. Moriyama
    • 学会等名
      International Conference of Strongly Correlated Electron Systems (SCES 2019)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Valley Hall Effects in Graphene/hBN Superlattices2019

    • 著者名/発表者名
      T. Iwasaki, K. Komatsu, K. Endo, E.Watanabe, D. Tsuya, K.Watanabe, T. Taniguchi, Y. Noguchi, Y. Wakayama, Y. Morita, and S. Moriyama
    • 学会等名
      The 11th annual Recent Progress in Graphene and Two-dimensional Materials Research Conference (RPGR2019)
    • 国際学会
  • [学会発表] Valley Hall Effect in Graphene/Hexagonal Boron Nitride Superlattices2019

    • 著者名/発表者名
      T. Iwasaki
    • 学会等名
      The 2019 Frontiers in Quantum Materials and Devices workshop (FQMD)
    • 国際学会
  • [備考] 研究者総覧SAMURAI

    • URL

      https://samurai.nims.go.jp/profiles/iwasaki_takuya

  • [産業財産権] 貼り合わせ装置、貼り合わせ方法およびそれを用いた素子の製造方法2020

    • 発明者名
      岩崎拓哉, 森山悟士
    • 権利者名
      国立研究開発法人物質・材料研究機構
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      2020-037090

URL: 

公開日: 2021-01-27  

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