研究課題
新しい低次元電子系の実現は、低次元系の基礎物理の解明や光、電子デバイスへの応用化のために重要な課題となっている。本研究では、ナノ構造の複合化による新しい低次元電子系の実現に向け、遷移金属カルコゲナイド(TMC)系ナノ材料に着目し研究を進めてきた。本年度は、特にごく最近に多量合成が可能となった高結晶性TMC原子細線の構造と電気伝導特性の研究を中心に進めてきた。試料は化学気相成長で作製したWTe原子細線のネットワークおよび単一バンドルを用いた。原子間力顕微鏡観察により、得られた試料が厚み10nm程度で幅が数百nmの薄い薄膜状の凝集体を形成していることを明らかにした。また、断面の電子顕微鏡観察によりワイヤーが均等な間隔で整列して単純単斜格子の結晶となることが分かった。この試料の電気伝導測定より、ネットワーク薄膜および単一のバンドルのどちらにおいても広い温度範囲で金属的な温度依存性を示し、特に10K以下の低温においては局在効果による抵抗の上昇を示すことを明らかにした。特に、単一のバンドルでは磁場中での弱反局在効果と磁気抵抗の振動を確認した。また、複数の試料で同様の測定を行い、再現性があることを確認した。これらの測定結果の解析より、キャリア密度及びキャリア移動度を推定することに成功した。また、磁気抵抗の角度依存性の測定より、原子細線の凝集体において二次元電子ガスが実現されていることが示唆された。これらの結果は、電子系の次元性の制御に向けたTMC原子細線の有用性を示している。
1: 当初の計画以上に進展している
当初の研究計画とは異なる物質系（原子幅の一次元原子細線の集合体）において、二次元電子ガスが形成した証拠を初めて得ることに成功した。この結果は、ナノ物質を組み合わせることで新たな電子状態の実現を目指す本研究において、当初の予想を超えるユニークな成果といえる。高品質試料の合成やデバイス作製プロセスも確立してきたことから、研究は順調に進展しているといえる。
今後は当初の予定通り電界ドーピングによるキャリア制御の実験を進めていく。化学気相成長による試料作製プロセスと電極作製までは達成できたが、電界ドーピングによる実験では基板の絶縁膜が損傷することによるリーク電流が問題となっている。この課題を解決するために、合成条件の改善や試料の転写プロセスについて検討していく。特に、転写については、溶媒やポリマーの種類やその洗浄方法を検討し、収率よく試料を転写する手法の開発に取り組む。また、転写した試料で電界効果トランジスタを作製し、低温での電気伝導や磁気抵抗の測定を進めていく。
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NANO LETTERS
巻: 21 ページ: 243-249
10.1021/acs.nanolett.0c03456
