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2019 年度 実績報告書

グラフェンディラックフェルミオンのプラズモン異常不安定性とそのテラヘルツ機能応用

研究課題

研究課題/領域番号 18H05331
配分区分補助金
研究機関東北大学

研究代表者

尾辻 泰一  東北大学, 電気通信研究所, 教授 (40315172)

研究分担者 岩月 勝美  東北大学, 電気通信研究機構, 特任教授 (00590522)
佐藤 昭  東北大学, 電気通信研究所, 准教授 (70510410)
渡辺 隆之  東北大学, 電気通信研究所, 助教 (80771807)
研究期間 (年度) 2018-06-29 – 2022-03-31
キーワードグラフェン / プラズモン / 不安定性 / テラヘルツ
研究実績の概要

グラフェンプラズモン異常不安定性の学理の解明を第一,その物理を原理とする室温動作可能なテラヘルツ増幅・光-テラヘルツ波周波数変換素子の創出を第二の目的としする。以下の成果を得た。
1. 非対称二重回折格子ゲート型グラフェントランジスタを,独自に開発したエピタキシャルグラフェン製膜,グラフェン・窒化ホウ素剥離転写,グラフェンチャネルゲートスタック等のプロセス技術を駆使して設計・試作した[前年度からの継続課題,担当:尾辻泰一,渡辺隆之(研究分担者),吹留博一(研究協力者)].
2. デバイスモデリングは,グラフェン電子正孔のクーロン相互作用に伴う多体効果をキャリア自己エネルギーとして記述し,ランダム位相近似およびGWA法により線形バンド分散の崩れ(ブロードニングと非線形性)を伴うグラフェンプラズモンを2.5次元に次元拡張して定式化し,ポアッソン方程式と連立して自己無撞着に数値解析した[前年度からの継続発展課題,担当:尾辻泰一,佐藤昭(研究分担者)].
3. テラヘルツ帯の自励発振現象は研究代表者所有のフーリエ変換遠赤外分光計測装置を,増幅現象は,研究代表者所有のテラヘルツ時間分解分光計測装置を用いてそれぞれ測定・評価した[前年度からの継続課題,担当:尾辻泰一,渡辺隆之(研究分担者)].
4. 実動作状態下におけるナノ領域のプラズモンダイナミクスの観測は,放射光施設Spring-8を利用したオペランド時間分解顕微分光計測装置[T. Someya, H. Fukidome et al., Phys. Rev. B 95, 165303 (2017)]を利用して実施した[前年度からの継続課題,担当:尾辻泰一,吹留博一(研究協力者)].
5. 第二の目的の計画遂行のための,調査研究・実験系構築を進めた[前年度からの継続課題,担当:尾辻泰一,岩月勝美(研究分担者)].

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

・プラズモン異常不安定性の発現の根拠となるドリフト速度がプラズマ速度を超越する条件が実動作条件下で得られるか否かという本研究課題の核心に迫る実験を遂行し,これまで明確には認識されていなかったキャリア運動量緩和時間の周波数分散(レッドシフト)効果を発見した.実験ではテラヘルツ周波数帯のキャリア運動量緩和時間は直流動作時のそれに比して一桁短く,これは,キャリアのドリフト速度が一般常識に比して一桁遅いことを意味し,チェレンコフ(プラズモニックブーム)型の不安定性は発現し得ないことを意味する.得られたテラヘルツ帯増幅現象は,従来理論では,Dyakonov-Shurモデルによるドップラーシフト効果,もしくはRyzhii-Satou-Shurモデルによる速度変調効果,あるいはそれらの重畳に起因することとして説明されるものの,これらの不安定性によって室温下で9%という(グラフェン単層からの)巨大利得を獲得できたことは,驚きに値し,定量的な説明は得られなかった.この問題に果敢に挑み,新たな物理モデルを構築してテラヘルツ帯複素光学導電率の挙動を詳細に検討した結果,プラズモンで変調された光学導電率の実部と虚部の位相関係が一定条件を満たすときに巨大利得増強作用が得られること,その実現には電子ドリフト速度がプラズモン速度を超越するチェレンコフ条件を必要とせず,新たな物理が内在することを発見した.
・本成果は,プラズモン不安定性発現機構の制御性を明らかにし,テラヘルツ帯コヒーレント発振源としての能力を定量的に明らかにしてゆくための礎となるとともに,かかる新たな物理現象をデバイスの設計論として工学的に実装することを可能にするものであり,学術的に極めて有益な知見である.

今後の研究の推進方策

1. 非対称二重回折格子ゲート型グラフェントランジスタを研究代表者らが独自に開発してきたエピタキシャルグラフェン製膜,グラフェン・窒化ホウ素剥離転写,グラフェンチャネルゲートスタック等のプロセス技術を駆使し,素子の設計・試作を実施する[前年度からの継続課題,担当:尾辻泰一,渡辺隆之(研究分担者),吹留博一(研究協力者)].
2. デバイスモデリングは,グラフェン電子正孔のクーロン相互作用に伴う多体効果をキャリア自己エネルギーとして記述し,ランダム位相近似およびGWA法により線形バンド分散の崩れ(ブロードニングと非線形性)を伴うグラフェンプラズモンを2.5次元に次元拡張して定式化し,ポアッソン方程式と連立して自己無撞着に数値解析する[前年度からの継続発展課題,担当:尾辻泰一,佐藤昭(研究分担者)].
3. テラヘルツ帯の自励発振現象は研究代表者所有のフーリエ変換遠赤外分光計測装置を,増幅現象は,研究代表者所有のテラヘルツ時間分解分光計測装置を用いてそれぞれ測定・評価する[前年度からの継続課題,担当:尾辻泰一,渡辺隆之(研究分担者)].
4. 実動作状態下におけるナノ領域のプラズモンダイナミクスの観測は,放射光施設Spring-8を利用したオペランド時間分解顕微分光計測装置[T. Someya, H. Fukidome et al., Phys. Rev. B 95, 165303 (2017)]を利用する[前年度からの継続課題,担当:尾辻泰一,吹留博一(研究協力者)].
5. グラフェンプラズモン異常不安定性を新原理として導入したテラヘルツ増幅素子および光・テラヘルツ波周波数変換・増幅素子を設計試作評価し,従来技術に対する量子効率改善効果を定量的に明らかにする[担当:尾辻泰一,岩月勝美(研究分担者)].

  • 研究成果

    (31件)

すべて 2020 2019 その他

すべて 国際共同研究 (4件) 雑誌論文 (13件) (うち国際共著 10件、 査読あり 12件、 オープンアクセス 5件) 学会発表 (13件) (うち国際学会 10件、 招待講演 12件) 備考 (1件)

  • [国際共同研究] CNRS-Univ. Montpellier(フランス)

    • 国名
      フランス
    • 外国機関名
      CNRS-Univ. Montpellier
  • [国際共同研究] Kotelnikov Inst. Radio-Eng. Electorn./Ioffe Institute, RAS/Inst. Microstructures for Phys., RAS(ロシア連邦)

    • 国名
      ロシア連邦
    • 外国機関名
      Kotelnikov Inst. Radio-Eng. Electorn./Ioffe Institute, RAS/Inst. Microstructures for Phys., RAS
    • 他の機関数
      1
  • [国際共同研究] CENTERA, Inst. High-Pressure Phys., PAS(ポーランド)

    • 国名
      ポーランド
    • 外国機関名
      CENTERA, Inst. High-Pressure Phys., PAS
  • [国際共同研究] Salamanca Unv.(スペイン)

    • 国名
      スペイン
    • 外国機関名
      Salamanca Unv.
  • [雑誌論文] Graphene plasmonics for terahertz applications (Invited)2020

    • 著者名/発表者名
      V. Ryzhii, T. Otsuji, and M.S. Shur
    • 雑誌名

      Appl. Phys. Lett.

      巻: 116 ページ: 1-6

    • DOI

      10.1063/1.5140712

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Room temperature amplification of terahertz radiation by grating-gate graphene structures2020

    • 著者名/発表者名
      S. Boubanga-Tombet, W. Kna, D. Yadav, A. Satou, D.B. But, V.V. Popov, I.V. Gorbenko, V. Kachorovskii, and T. Otsuji
    • 雑誌名

      arXiv

      巻: 2003 ページ: 09649v1-1-23

    • オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Terahertz plasmon-emitting graphene-channel transistor2019

    • 著者名/発表者名
      Alexander Dubinov, Vladimir Aleshkin, Sergey Morozov, Victor Ryzhii, and Taiichi Otsuji
    • 雑誌名

      Opt. Electron. Rev.

      巻: 27 ページ: 345-347

    • DOI

      10.1016/j.opelre.2019.11.003

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Physics and technology of graphene-based 2D heterostructures for current-injection terahertz lasers and amplifiers (Keynote)2019

    • 著者名/発表者名
      T. Otsuji
    • 雑誌名

      ISNTT2019: International School and Symposium on Nanoscale Transport and phoTonics Proc., Atsugi R&D center, Kanagawa, Japan, Nov. 18-22

      巻: 1 ページ: 1-2

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Terahertz Light Amplification and Lasing in Current-Driven Graphene-Channel Transistor Structures2019

    • 著者名/発表者名
      S. Boubanga-Tombet, D. Yadav, A. Satou, W. Knap, V.V. Popov, and T. Otsuji
    • 雑誌名

      2D MATERIALS 2019 - International Congress on Graphene, 2D Materials and Applications Abstracts, Sochi Olympic Park, Sochi, Russia, 30th Sept.- 04th Oct.

      巻: 1 ページ: 1-2

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Terahertz plasmonic graphene-channel transistor laser2019

    • 著者名/発表者名
      Y. Fuse, A. A. Dubinov, T. Watanabe, V. Ya. Aleshkin, S. V. Morozov, A. Satou, V. Ryzhii, and T. Otsuji
    • 雑誌名

      MTSA2019: 5th International Symposium on Microwave/Terahertz Science and Applications Abstracts, Hanwha Resorts Haeundae Tivoli, Busan, Korea, Sept. 30-Oct. 3

      巻: 1 ページ: Ap2_4

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Current-driven plasmonic instability in graphene metasurfaces for terahertz applications (Invited)2019

    • 著者名/発表者名
      S. Boubanga-Tombet, D. Yadav, A. Satou, W. Knap, V.V. Popov, and T. Otsuji
    • 雑誌名

      AES2019: 7th Advanced Electromagnetics Symposium Abstract Book, Lisbon, Portugal, July 23-26

      巻: 1 ページ: 1A6_1

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Current-driven plasmonic instability in graphene metasurfaces for terahertz applications (Invited)2019

    • 著者名/発表者名
      S. Boubanga-Tombet, D. Yadav, A. Satou, W. Knap, V.V. Popov, and T. Otsuji
    • 雑誌名

      META2019: 10th International Conference on Metamaterials, Photonic Crystals and Plasmonics Abstract Book, Lisbon, Portugal, July 23-26

      巻: 1 ページ: 2A36_6

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Terahertz current-driven lasing and amplification in graphene-based vdW heterostructures (Invited)2019

    • 著者名/発表者名
      T. Otsuji
    • 雑誌名

      CCMR 2019: Collaborative Conference on Materials Research Proc., the Kintex, Goyang Gyeonggi, South Korea, June 3-7

      巻: 1 ページ: 1-2

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Terahertz light amplification stimulated by current-driven plasmon instability in graphene-channel transistors (Invited)2019

    • 著者名/発表者名
      S. Boubanga-Tombet, W. Knap, A. Satou, D. But, V.V. Popov, and T. Otsuji
    • 雑誌名

      GSMM: 12th Global Symposium onMillimeter Waves Proc., Sendai, Japan, May 22-24

      巻: 1 ページ: 1-4

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Terahertz light emission and lasing in current-driven graphene-based 2D nano- and plasmonic-structures (Keynote)2019

    • 著者名/発表者名
      T. Otsuji
    • 雑誌名

      EuroSciCon Joint Event on Laser Optics, Quantum & Plasma Physics Abstract Book, Stockholm, Sweden, May 5-10

      巻: 1 ページ: 1

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Terahertz light amplification of stimulated emission of radiation in current-injection graphene channel transistor (Invited)2019

    • 著者名/発表者名
      T. Otsuji , S. Boubanga-Tombet, D. Yadav, T. Watanabe, A. Satou, and V. Ryzhii
    • 雑誌名

      Proc. SPIE [SPIE Int. Conf. Defence+ Commercial Sensing, Conf.-10982 on Micro- and Nanotechnol. Sens., Sys., Appl. XI, Baltimore, Maryland, USA, April 14-18]

      巻: 10982 ページ: 109822V-1-6

    • DOI

      10.1117/12.2520092

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Terahertz light amplification stimulated by current-driven plasmon instability in grating-gate graphene transistor structures (Invited)2019

    • 著者名/発表者名
      S. Boubanga-Tombet, W. Knap, D. Yadav, A. Satou, D. but, V.V. Popov, and T. Otsuji
    • 雑誌名

      FGTC: French-German Terahertz Conference 2019 Abstract Book, Kaiserslautern, Germany, April 2-5

      巻: 1 ページ: 1

    • 査読あり / 国際共著
  • [学会発表] Physics and technology of graphene-based 2D heterostructures for current-injection terahertz lasers and amplifiers (Keynote)2019

    • 著者名/発表者名
      T. Otsuji
    • 学会等名
      ISNTT2019: International School and Symposium on Nanoscale Transport and phoTonics, Atsugi, Kanagawa, Japan, Nov. 18-22
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Terahertz Light Amplification and Lasing in Current-Driven Graphene-Channel Transistor Structures (Keynote)2019

    • 著者名/発表者名
      S. Boubanga-Tombet, D. Yadav, A. Satou, W. Knap, V.V. Popov, and T. Otsuji
    • 学会等名
      2D MATERIALS 2019: Int. Congress on Graphene, 2D Materials and Applications, Sochi, Russia, Sept. 30- Oct. 04
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Terahertz plasmonic graphene-channel transistor laser2019

    • 著者名/発表者名
      Y. Fuse, A. A. Dubinov, T. Watanabe, V. Ya. Aleshkin, S. V. Morozov, A. Satou, V. Ryzhii, and T. Otsuji
    • 学会等名
      MTSA2019: 5th Int. Symp. on Microwave/Terahertz Sci. and Appl., Busan, Korea, Sept. 30-Oct. 3
    • 国際学会
  • [学会発表] Current-driven plasmonic instability in graphene metasurfaces for terahertz applications (Invited)2019

    • 著者名/発表者名
      S. Boubanga-Tombet, D. Yadav, A. Satou, W. Knap, V.V. Popov, and T. Otsuji
    • 学会等名
      AES2019: 7th Advanced Electromagnetics Symposium, Lisbon, Portugal, July 23-26
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Current-driven plasmonic instability in graphene metasurfaces for terahertz applications (Invited)2019

    • 著者名/発表者名
      S. Boubanga-Tombet, D. Yadav, A. Satou, W. Knap, V.V. Popov, and T. Otsuji
    • 学会等名
      META2019: 10th International Conference on Metamaterials, Photonic Crystals and Plasmonics, Lisbon, Portugal, July 23-26
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Terahertz current-driven lasing and amplification in graphene-based vdW heterostructures (Invited)2019

    • 著者名/発表者名
      T. Otsuji
    • 学会等名
      CCMR 2019: Collaborative Conference on Materials Research, the Kintex, Goyang Gyeonggi, South Korea, June 3-7
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Terahertz light amplification stimulated by current-driven plasmon instability in graphene-channel transistors (Invited)2019

    • 著者名/発表者名
      S. Boubanga-Tombet, W. Knap, A. Satou, D. But, V.V. Popov, and T. Otsuji
    • 学会等名
      GSMM: 12th Global Symposium onMillimeter Waves, Sendai, Japan, May 22-24
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Terahertz light emission and lasing in current-driven graphene-based 2D nano- and plasmonic-structures (Keynote)2019

    • 著者名/発表者名
      T. Otsuji
    • 学会等名
      EuroSciCon Joint Event on Laser Optics, Quantum & Plasma Physics, Stockholm, Sweden, May 5-10
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Terahertz light amplification of stimulated emission of radiation in current-injection graphene channel transistor (Invited)2019

    • 著者名/発表者名
      T. Otsuji , S. Boubanga-Tombet, D. Yadav, T. Watanabe, A. Satou, and V. Ryzhii
    • 学会等名
      SPIE Int. Conf. Defence+ Commercial Sensing, Conf.-10982 on Micro- and Nanotechnol. Sens., Sys., Appl. XI, Baltimore, MD, USA, April 14-18
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Terahertz light amplification stimulated by current-driven plasmon instability in grating-gate graphene transistor structures (Invited)2019

    • 著者名/発表者名
      S. Boubanga-Tombet, W. Knap, D. Yadav, A. Satou, D. but, V.V. Popov, and T. Otsuji
    • 学会等名
      FGTC: French-German Terahertz Conference 2019, Kaiserslautern, Germany, April 2-5
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 東北大におけるテラヘルツ科学技術研究、ならびテラヘルツプラズモニックデバイスの創出(招待)2019

    • 著者名/発表者名
      尾辻泰一
    • 学会等名
      東北大学&理研第1回連携ワークショップ-テラヘルツ光研究の新展開と産業応用への展望, 仙台, 日本, Oct. 23
    • 招待講演
  • [学会発表] 二次元原子薄膜ヘテロ接合の光電子プラズモニック物性とそのテラヘルツ光電子デバイス応用(プレナリ)2019

    • 著者名/発表者名
      尾辻泰一
    • 学会等名
      徳島大学ポストLEDフォトニクス公開シンポジウム2019, 徳島大学 常三島けやきホール, 徳島市, Oct. 15
    • 招待講演
  • [学会発表] Terahertz light amplification and lasing in graphene-channel transistor structures (in Japanese, Invited)2019

    • 著者名/発表者名
      T. Otsuji
    • 学会等名
      64th RAP: Seminar on RIKEN Center for Advanced Photonics, RIKEN Sendai, Japan, Aug. 2
    • 招待講演
  • [備考] Otsuji Laboratory, RIEC, Tohoku University

    • URL

      http://www.otsuji.riec.tohoku.ac.jp/english/index_en.php

URL: 

公開日: 2021-01-27  

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