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

2021 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 20K20349
• 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) [辞退] ; 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): 2020-04-01 – 2022-03-31
• キーワード: グラフェン / ディラックプラズモン / 不安定性 / テラヘルツ

研究実績の概要

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に関しては，第一に，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シミュレータを完成した[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）]．第二に，「プラズモン異常不安定性」と命名した従来理論では説明のつかない実験結果を説明し得る可能性のあるグラフェンディラックプラズモンに特有の新規な不安定性が生じ得ることを理論的に発見し，「クーロンドラッグ不安定性」と命名した．
３．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実証に成功したテラヘルツ帯コヒーレント増幅に続き，フーリエ変換赤外分光光度計を用いて試作素子におけるテラヘルツ帯自励発振の観測に挑み，その兆候を捉えることに成功した[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．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評価した結果，電流駆動による不安定性発現により，光－テラヘルツ波変換利得ならびにテラヘルツ波検出感度を１桁以上向上できることを実証した[前年度からの継続課題，担当：尾辻泰一]．

研究成果

• [国際共同研究] ニューヨーク州立大学バッファロー校/レンセラー工科大学(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: ニューヨーク州立大学バッファロー校/レンセラー工科大学
• [国際共同研究] マイクロ構造物理学研究所/コテルニコフ無線電子工学研究所サラトフ支所/バウマンモスクワ州立工科大学(ロシア連邦)
  • 国名: ロシア連邦
  • 外国機関名: マイクロ構造物理学研究所/コテルニコフ無線電子工学研究所サラトフ支所/バウマンモスクワ州立工科大学
• [国際共同研究] モンペリエ大学/国立科学センター(フランス)
  • 国名: フランス
  • 外国機関名: モンペリエ大学/国立科学センター
• [国際共同研究] ワルシャワ大学/国立高圧物理学研究所(ポーランド)
  • 国名: ポーランド
  • 外国機関名: ワルシャワ大学/国立高圧物理学研究所
• [国際共同研究] サラマンカ大学(スペイン)
  • 国名: スペイン
  • 外国機関名: サラマンカ大学
• [雑誌論文] Ballistic Injection Terahertz Plasma Instability in Graphene n + -i-n-n + Field-Effect Transistors and Lateral Diodes (2022)
  • 著者名/発表者名: V. Ryzhii, M. Ryzhii, A. Satou, V. Mitin, M.S. Shur, and T. Otsuji
  • 雑誌名: Physica Status Solidi A: Appl. and Mat. Sci. (Top Cover Art) 巻: 219 ページ: 2100694-1-8
  • DOI: 10.1002/pssa.202100694
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Graphene-based plasmonic metamaterial for terahertz laser transistors (2022)
  • 著者名/発表者名: T. Otsuji, S.A. Boubanga-Tombet, A. Satou, D. Yadav, H. Fukidome, T. Watanabe, T. Suemitsu, A.A. Dubinov, V.V. Popov, W. Knap, V. Kachorovskii, K. Narahara, M. Ryzhii, V. Mitin, M.S. Shur, and V. Ryzhii
  • 雑誌名: Nanophoton. (invited, review) 巻: 11 ページ: 1677-1696
  • DOI: 10.1515/nanoph-2021-0651
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] テラヘルツ通信応用に向けたグラフェンレーザートランジスタ技術 (2022)
  • 著者名/発表者名: 尾辻泰一
  • 雑誌名: 日本赤外線学会学会誌 (invited) 巻: 31 ページ: 68-75
  • 査読あり
• [雑誌論文] Graphene-based plasma-wave devices for terahertz applications (2022)
  • 著者名/発表者名: T. Otsuji, V. Ryzhii, and M. Shur
  • 雑誌名: Proc. SPIE (invited) 巻: 11975 ページ: 1197503-1-8
  • DOI: 10.1117/12.2604818
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Coulomb drag and plasmonic effects in graphene field-effect transistors enable resonant terahertz detection (2022)
  • 著者名/発表者名: M. Ryzhii, V. Ryzhii, T. Otsuji, V. Mitin, and M.S. Shur
  • 雑誌名: Appl. Phys. Lett. 巻: 120 ページ: 111102-1-6
  • DOI: 10.1063/5.0087678
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] S-shaped current-voltage characteristics of n+-i-n-n+ graphene field-effect transistors due the Coulomb drag of quasi-equilibrium electrons by ballistic electrons (2021)
  • 著者名/発表者名: V. Ryzhii, M. Ryzhii, V. Mitin, M.S. Shur, and T. Otsuji
  • 雑誌名: Phys. Rev. Appl. 巻: 16 ページ: 014001-1-12
  • DOI: 10.1103/PhysRevApplied.16.014001
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Coulomb electron drag mechanism of terahertz plasma instability in n+-i-n-n+ graphene FETs with ballistic injection (2021)
  • 著者名/発表者名: V. Ryzhii, M. Ryzhii, V. Mitin, M.S. Shur, and T. Otsuji
  • 雑誌名: Appl. Phys. Lett. 巻: 119 ページ: 093501-1-5
  • DOI: 10.1063/5.0061722
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] THz detection by an asymmetric dual-grating-gate graphene FET (2021)
  • 著者名/発表者名: K. Tamura, D. Ogiura, K. Suwa, H. Fukidome, A. Satou, Y. Takida, H. Minamide, and T. Otsuji
  • 雑誌名: IRMMW-THz: the 46th International Conference on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves Proc., Changdu, China, and Online, Aug. 29-Sept. 3, 2021. 巻: 1 ページ: 5103129-1-2
  • DOI: 10.1109/IRMMW-THz50926.2021.9567489
  • 査読あり
• [雑誌論文] Coulomb drag by injected ballistic carriers in graphene n+-i-n-n+ structures: doping and temperature effects (2021)
  • 著者名/発表者名: V. Ryzhii, T. Otsuji, M. Ryzhii, V. Mitin, and M.S. Shur
  • 雑誌名: Physica Status Solidi A: Appl. and Mat. Sci. (Top Cover Art) 巻: 218 ページ: 2100535-1-7
  • DOI: 10.1002/pssa.202100535
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Paving the way for tunable graphene plasmonic THz amplifiers (2021)
  • 著者名/発表者名: Stephane Albon Boubanga-Tombet, Akira Satou, Deepika Yadav, Dmitro B But, Wojciech Knap, Vyacheslav V Popov, Iliya V Gorbenko, Valentin Kachorovskii and Taiichi Otsuji
  • 雑誌名: Frontiers in Physics (invited, review) 巻: 9 ページ: 726806-1-10
  • DOI: 10.3389/fphy.2021.726806
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Current driven plasma instability in graphene-FETs with Coulomb electron drag (2021)
  • 著者名/発表者名: M. Ryzhii, V. Ryzhii, T. Otsuji, V. Mitin, and M.S. Shur
  • 雑誌名: COMCAS2021: International Conference on Microwaves, Communications, Antennas, Biomedical Engineering & Electronic Systems, RF3-4, vol. 1, pp. 1-4 巻: 1 ページ: 1-4
  • DOI: 10.1109/COMCAS52219.2021.9628999
  • 国際共著
• [雑誌論文] Plasmonic field-effect transistors (TeraFETs) for 6G communications (2021)
  • 著者名/発表者名: M. Shur, G. Aizin, T. Otsuji, and V. Ryzhii
  • 雑誌名: Sensors (invited, review) 巻: 21 ページ: 7907-1-16
  • DOI: 10.3390/s21237907
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Effect of Coulomb carrier drag and terahertz plasma instability in p+-p-i-n-n+ graphene tunneling transistor structures (2021)
  • 著者名/発表者名: V. Ryzhii, M. Ryzhii, A. Satou, T. Otsuji, V. Mitin, and M.S. Shur
  • 雑誌名: Phys. Rev. Appl. 巻: 16 ページ: 064054-1-10
  • DOI: 10.1103/PhysRevApplied.16.064054
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] テラヘルツプラズモニック機能デバイスの創出とその次世代Beyond 5G無線通信への応用 (2022)
  • 著者名/発表者名: 尾辻泰一
  • 学会等名: 理研シンポジウム：第9回「光量子工学研究」, Feb. 28, 2022. (invited)
  • 招待講演
• [学会発表] グラフェンのBeyond 5G超高速無線通信デバイス応用 (2022)
  • 著者名/発表者名: 尾辻泰一
  • 学会等名: 第69回応用物理学会春季学術講演会, シンポジウム「オンライン時代の機能性マテリアルーbeyond 5G/6G に向けてー」, オンライン, March 22-26, 2022. (invited)
  • 招待講演
• [学会発表] Graphene-based plasmonic metamaterial for terahertz laser transistors (2022)
  • 著者名/発表者名: T. Otsuji, S. Boubanga-Tombet, A. Satou, D. Yadav, V. Ryzhii, M. Ryzhii, A.A. Dubinov, V.V. Popov, W. Knap, V. Kachorovskii, K. Narahara, V. Mitin, and M.S. Shur
  • 学会等名: XXVI International Symposium on Nanophysics and Nanoelectronics, Nizhny Novgorod, Russia, Hybrid, March 14-17, 2022. (invited)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] グラフェンの理論限界を超えるテラヘルツ電磁波の増幅に成功 ―次世代６Ｇ＆７Ｇ超高速無線通信の実現に光明 (2021)
  • 著者名/発表者名: 尾辻泰一
  • 学会等名: オプトロニクスWEBセミナー「Beyond 5Gとテラヘルツ通信：実用化と将来展望」, Web Online, April 28, 2021. (invited)
  • 招待講演
• [学会発表] 5Gの先へ！テラヘルツ波デバイスに求められる新材料と要素技術 最先端の研究開発状況と課題・展望 (2021)
  • 著者名/発表者名: 尾辻泰一
  • 学会等名: サイエンス＆テクノロジー セミナー, Web Online, April 21, 2021.
  • 招待講演
• [学会発表] Fast terahertz detection in asymmetric dual-grating-gate graphene-channel FETs (2021)
  • 著者名/発表者名: Koichi Tamura, Daichi Ogiura, Kento Suwa, Hirokazu Fukidome, Akira Satou, Y. Takida, H. Minamide, and T. Otsuji
  • 学会等名: DRC: 79th Annual Device Research Conference, Web-Online, June 21, 2021.
  • 国際学会
• [学会発表] A new type of terahertz quantum cascade laser using graphene-based van der Waals heterostructures (2021)
  • 著者名/発表者名: T. Otsuji
  • 学会等名: META: the 11th International Conference on Metamaterials, Photonic Crystals, and Plasmonics Proc., vol. 1, pp. 240-241, Univ. of Warsaw, Warsaw, Poland, Online, July 20-23, 2021. (invited)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] THz detection by an asymmetric dual-grating-gate graphene FET (2021)
  • 著者名/発表者名: K. Tamura, D. Ogiura, K. Suwa, H. Fukidome, A. Satou, Y. Takida, H. Minamide, and T. Otsuji
  • 学会等名: IRMMW-THz: the 46th International Conference on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves, Changdu, China, and Online, Aug. 29-Sept. 3, 2021.
  • 国際学会
• [学会発表] グラフェン THz デバイスの研究開発動向と将来展望, (2021)
  • 著者名/発表者名: 尾辻泰一
  • 学会等名: 信学会ソサエティ大会, 企画シンポジウム：Beyond 5G、6G に向けたデバイス・材料技術とその応用, オンライン, Sept. 14-17, 2021. (invited)
  • 招待講演
• [学会発表] 理論限界を超えたテラヘルツ波増幅：6G&7G超高速無線通信への可能性 (2021)
  • 著者名/発表者名: 尾辻泰一
  • 学会等名: レーザー学会 第2回「小型集積レーザー」専門委員会, 分子科学研究所, 愛知県岡崎市, Sept. 22, 2021. (invited)
  • 招待講演
• [学会発表] Coulomb drag in graphene FETs with the ballistic electron injection (2021)
  • 著者名/発表者名: V. Ryzhii, M. Ryzhii, V. Mitin, M.S. Shur, and T. Otsuji
  • 学会等名: RPGR: Recent Progress on Graphene and 2D materials Research Conference 2021, Seoul, South Korea (Hybrid), Oct. 7, 2021.
  • 国際学会
• [学会発表] Fast terahertz detection in an asymmetric dual-grating-gate epitaxial graphene-chennel FET (2021)
  • 著者名/発表者名: D. Ogiura, A. Satou, H. Fukidome, and T. Otsuji
  • 学会等名: RPGR: Recent Progress on Graphene and 2D materials Research Conference 2021, Seoul, South Korea (Hybrid), Oct. 7, 2021.
  • 国際学会
• [学会発表] High Speed Terahertz Detection by an Asymmetric Dual-Grating-Gate Graphene FET (2021)
  • 著者名/発表者名: K. Tamura, D. Ogiura, K. Suwa, H. Fukidome, A. Satou, Y. Takida, H. Minamide, and T. Otsuji
  • 学会等名: RJUSE-TeraTech2021: 9th Russia-Japan-USA-Europe Symposium on Fundamental & Applied Problems of Terahertz Devices & Technologies, Sendai, Japan (Hybrid), Nov. 1-4, 2021.
  • 国際学会
• [学会発表] Current driven plasma instability in graphene-FETs with Coulomb electron drag (2021)
  • 著者名/発表者名: M. Ryzhii, V. Ryzhii, T. Otsuji, V. Mitin, and M.S. Shur
  • 学会等名: COMCAS2021: International Conference on Microwaves, Communications, Antennas, Biomedical Engineering & Electronic Systems, RF3-4, vol. 1, pp. 1-4, Tel Aviv, Israel, Hybrid, Nov. 1-3, 2021.
  • 国際学会
• [学会発表] 半導体二次元プラズモンを利用したテラヘルツ機能デバイスとその次世代 Beyond 5G無線通信への応用 (2021)
  • 著者名/発表者名: 尾辻泰一
  • 学会等名: 2021年日本真空表面学会学術講演会, 公募シンポジウム「表面真空科学の新分野萌芽の土壌としての Beyond 5G」, 3Aa09, Online, Nov. 3-5, 2021. (invited)
  • 招待講演
• [図書] THz Communications [Otsuji T., Satou A., Plasma-Wave Devices, pp. 291-296.]] (2022)
  • 著者名/発表者名: Krurner T., Mittleman D.M., Nagatsuma T. eds.
  • 総ページ数: 540
  • 出版者: Springer Nature, Switzerland
  • ISBN: 978-3-030-73737-5
• [備考] Otsuji Lab., RIEC, Tohoku Univ., Sendai, Japan
  • URL: https://www.otsuji.riec.tohoku.ac.jp/english/index_en.php