研究課題
ツイスト二層グラフェン(TwBG)は炭素がハチの巣格子状に並んだ二枚の単層グラフェンシートを角度を捻って積層させることによって作製される人工物質であり、二枚の捻り角によってモアレ超格子と呼ばれる長周期構造が発現することで、強い電子相関に起因した絶縁状態や超伝導、強磁性といった性質の発現が報告されている。またグラフェンはスピンのほかにバレー自由度と呼ばれる量子自由度を有する。これらの特性をナノスケールに電子を閉じ込める、量子ポイントコンタクト(QPC)や量子ドット(QD)などの量子デバイス構造と組み合わせることによって、これまでに実現しえなかった豊かな性質の発現が見込まれる。しかし、TwBGのデバイス作製は非常に歩留まりが悪いという問題点のほかに、デバイス作製プロセス上の問題から再現良く良質なデバイスを作ることができない問題があった。本年度の研究では先端径が非常に小さいタングステンプローブを用いてグラフェンを事前に二つにカットしてからスタックする手法を確立し、デバイスの特性評価を行ったがその特性は量子デバイス構造を実現するには不向きであることが分かった。そこで本研究では研究の対象をグラフェンから拡張し、グラフェンと同様に原子層薄膜でありながら半導体的な性質を示す為、量子デバイスの実現が比較的容易と考えられる遷移金属ダイカルコゲナイド(TMD)、およびそのツイスト二層デバイスでの量子デバイス実現に取り組んだ。特にこれまでにTMDでのQPCの報告例は非常に少なく、また非常に性能の悪いデバイスのみが報告されていた。本年度試作した、TMDの一種である二セレン化タングステンのQPCでは、明瞭なQPCの特性を示し、TMDの特有の強いスピン軌道相互作用に起因した特性が得られていることが分かった。本結果は二次元物質の量子デバイス応用を進めるものとなる。
2: おおむね順調に進展している
本課題では、二枚のグラフェンを捻って積層することによって作られるツイスト型二層グラフェンにおける豊かな物性と電界閉じ込めを用いた量子閉じ込め構造を組み合わせることによる新機能発現目指したものである。本年度は当初予定していたツイスト型二層グラフェンの高性能化を目指し、先端径が0.6ミクロン程度のタングステンプローブを用いてグラフェンを事前にカットしてから、角度を捻って積層する手法の確立などを行い、作製したデバイスの評価を行ったものの、得られた特性はデバイス依存性やデバイス内での端子依存性などが非常に強く、また電界閉じ込めを達成するために必須である良好な絶縁特性も得られなかった。そこで、本年度はグラフェンから対象を拡張して、類似の二次元物質ではあるが半導体的特性の遷移金属ダイカルコゲナイド(TMD)やそのホモ及びヘテロ積層構造、またグラフェンと六方晶窒化ホウ素(hBN)のモアレ超格子構造などへ移行することとした。TMDは半導体であるため電界閉じ込め構造の作製が容易であるが、これまで主にコンタクト特性の悪さや、結晶自体の品質の低さから、量子デバイス応用は進んではいなかったが、金属的な二次元層状物質をコンタクト電極とする2Dコンタクト法の確立やフラックス法と呼ばれる結晶成長法を用いた結晶を使用することで、TMDデバイスの特性向上手法を確立した。また、試作した3層TMD量子ポイントコンタクトデバイスでは明瞭な量子化伝導などの特徴的な伝導現象を観測し、またスピン偏極が起きた特殊な伝導現象を世界で初めて観測するなど、一定の成果を上げた。また加えてグラフェンとhBNのモアレ超格子において開放系量子ドットと呼ばれる量子デバイスを実現し、APSで発表するなど成果を上げた。これらより二次元物質における量子デバイスの実現を行ってきていることから、「おおむね順調に進展している」と評価した。
今後は既に確立した2D/2Dコンタクト法をグローブボックスシステムの中に組み込まれた二次元物質積層機構を用いて作製することによって、単層TMD、特に二セレン化タングステンにおける量子ポイントコンタクトや量子ドットの作製に取り組んでいく。また、前述の先端径の小さいタングステンプローブを用いて、事前に単層の二セレン化タングステンを半分にカットし、ツイストさせてからツイスト積層する手法及び積層後に、二枚の二セレン化タングステンの積層角を精密に測定できる光学セットアップの確立などを行っていく予定である。また、本年度に作製、評価した三層の二セレン化タングステンにおける量子ポイントコンタクトデバイスにおける量子伝導現象やグラフェン/hBNモアレ超格子における開放系量子ドットの特性等に関しても、海外共同研究者との議論や理論計算の結果等と複合して詳細に解析を進めると共に、論文投稿を行う予定である。
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Phys. Rev. Lett.
巻: 126 ページ: 086802
10.1103/PhysRevLett.126.086802
