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2020 年度 実績報告書

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, 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点, 独立研究者 (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 / モアレ超格子 / 量子ホール効果 / 単電子輸送 / 量子デバイス
研究実績の概要

本研究において、二次元物質積層ヘテロ構造作製の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、自作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う。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、世界最高水準品質のグラフェンデバイスが歩留まり良く作製可能となった。また、二層グラフェンと六方晶窒化ホウ素(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、非局所測定を介して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デバイスを測定し、クーロンブロッケード効果およびモアレ超格子特有の量子ホール効果(ホフスタッターの蝶)、二つの効果を同一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。これは、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/二層グラフェンと、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の影響がキャリア輸送特性に別々に現れることを見出した。
さらに、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。

  • 研究成果

    (11件)

すべて 2021 2020

すべて 雑誌論文 (1件) (うち査読あり 1件) 学会発表 (10件) (うち国際学会 3件)

  • [雑誌論文] Room-temperature negative magnetoresistance of helium-ion-irradiated defective graphene in the strong Anderson localization regime2021

    • 著者名/発表者名
      Iwasaki Takuya、Nakamura Shu、Agbonlahor Osazuwa G.、Muruganathan Manoharan、Akabori Masashi、Morita Yoshifumi、Moriyama Satoshi、Ogawa Shinichi、Wakayama Yutaka、Mizuta Hiroshi、Nakaharai Shu
    • 雑誌名

      Carbon

      巻: 175 ページ: 87~92

    • DOI

      10.1016/j.carbon.2020.12.076

    • 査読あり
  • [学会発表] Observation of charge carrier localization-induced negative magnetoresistance at room temperature in helium-ion-irradiated defective graphene2020

    • 著者名/発表者名
      Takuya Iwasaki, Shu Nakamura, Osazuwa Gabriel Agbonlahor, Manoharan Muruganathan, Masashi Akabori, Yoshifumi Morita, Satoshi Moriyama, Shinichi Ogawa, Yutaka Wakayama, Hiroshi Mizuta, and Shu Nakaharai
    • 学会等名
      2020 International Conference on Solid State Devices and Materials
    • 国際学会
  • [学会発表] Quantum transport in graphene/hexagonal boron nitride superlattices2020

    • 著者名/発表者名
      Takuya Iwasaki
    • 学会等名
      A3 Foresight Program, 7th International Workshop on 2D Materials
    • 国際学会
  • [学会発表] Strong Carrier Localization in Defective Graphene Induced by Helium Ion Irradiation.2020

    • 著者名/発表者名
      Takuya Iwasaki, Shu Nakamura, Osazuwa Gabriel Agbonlahor, Manoharan Muruganathan, Masashi Akabori, Yoshifumi Morita, Satoshi Moriyama, Shinichi Ogawa, Yutaka Wakayama, Hiroshi Mizuta, and Shu Nakaharai,
    • 学会等名
      MANA International Symposium 2021
    • 国際学会
  • [学会発表] 垂直磁場下における4 層 グラフェン単一量子ドットデバイスの電気伝導特性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81回応用物理学会秋季学術講演会
  • [学会発表] Negative magnetoresistance of helium-ion-irradiated graphene in the strong Anderson localization regime2020

    • 著者名/発表者名
      Takuya Iwasaki, Muruganathan Manoharan, Masashi Akabori, Yoshifumi Morita, Satoshi Moriyama, Shinichi Ogawa, Yutaka Wakayama, Hiroshi Mizuta, Shu Nakaharai
    • 学会等名
      第81回応用物理学会秋季学術講演会
  • [学会発表] モアレ超格子二重量子ドット素子における量子ホール効果と単一キャリア輸送特性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2020年秋季大会
  • [学会発表] 4層グラフェンを用いた量子ドットデバイスの垂直磁場依存性2020

    • 著者名/発表者名
      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
      第75回応用物理学会東北支部学術講演会
  • [学会発表] 垂直磁場下におけるグラフェン多重量子ドットの結合状態の変化2020

    • 著者名/発表者名
      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
      第68回応用物理学会春季学術講演会
  • [学会発表] バブルフリー転写法による高品質ファンデルワールス積層構造の作製2020

    • 著者名/発表者名
      岩崎拓哉, 渡辺英一郎, 津谷大樹, 守田佳史, 中払周, 若山裕, 渡邊賢司, 谷口尚, 森山悟士
    • 学会等名
      第68回応用物理学会春季学術講演会
  • [学会発表] モアレ超格子二重量子ドット素子における単一キャリア輸送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68回応用物理学会春季学術講演会

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公開日: 2021-12-27  

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