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2019 年度 実績報告書

サブナノイオンビームで機能化した原子層NEMSによる波動性フォノニック工学の創生

研究課題

研究課題/領域番号 19H05520
配分区分補助金
研究機関北陸先端科学技術大学院大学

研究代表者

水田 博  北陸先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 教授 (90372458)

研究期間 (年度) 2019-06-28 – 2024-03-31
キーワードNEMS / グラフェン / ナノイオンビーム / 波動性フォノン / 熱ダイオード
研究実績の概要

波動性ナノフォノニック機能構造の設計・作製・評価においては、電子線直接描画と集束ヘリウムイオンビーム技術を併用し、長さ500 nm、幅1.2 umの宙吊りグラフェン両持ち梁上に、ナノ孔直径が5 ~ 30 nm、ナノ孔アレイのユニットセル構造が正方格子型とスタガード格子型のグラフェンフォノニック結晶(GPnC)を作製した。また、台形状の宙吊りグラフェンをチャネルとして、台形の上底長W1と下底長W2をそれぞれW1:0.225 ~ 0.75 um, W2:0.375 ~ 1.25 umの範囲で変化させた非対称ナノフォノニック構造も作製した。この台形状宙吊りグラフェンチャネルの上底側と下底側に金属マイクロスケールヒーターを集積化した2つの素子と、マイクロヒーターのみの参照素子を用意し、ヒーターからの熱の流入口を台形グラフェンの上底側・下底側とした際のヒーター温度の低下ΔThを比較する予備実験を行ったところ、下底側からの方がΔThが大きくなることが観測された。
また、革新的熱機能素子の開拓においては、宙吊りナノフォノニック構造に対して、アクチュエーション電極から電界を印加して引っ張り応力を加えることで、フォノニックバンドギャップ帯域を変調する原理を探索するため、グラフェン梁の下に局所ボトムゲートを作製するプロセスを構築した。電子線リソグラフィと電子線蒸着を使用し、まずSiO2/Si 基板上に厚み140 nm のAu/Crソース・ドレイン電極を作製した後、厚み40nmのAu/Crボトムゲート電極を作製し、その上に犠牲層となるSiO2膜を100 nm蒸着した。その後、CVDグラフェンを転写し、反応性イオンエッチングにより不要なグラフェンを除去してグラフェンナノリボンを形成し、最後に犠牲層SiO2を BHF で除去することで、ボトムゲート型グラフェン梁構造素子を作製することに成功した。

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

波動性ナノフォノニック機能構造の設計・作製・評価においては、計画していた正方格子型とスタガード格子型GPnCの作製に加えて、空間的非対称性の効果をいち早く明らかにするために、台形状の宙吊りグラフェンをチャネルとしたナノフォノニック構造も作製した。さらに台形状グラフェンチャネルに金属マイクロスケールヒータを集積化した素子を作製して、ヒータからの熱流入が台形チャネル向きによって異なる予備実験結果を得た点は、当初の計画を上回る進展である。
一方、新奇な3端子熱機能素子の開発においては、サスペンデッドグラフェン梁直下に、約100 nmの空隙をあけてローカルボトムゲートを設けるプロセス開発において、グラフェン梁が金属ボトムゲート上にプルインしてしまう問題が生じた。これに対して、ボトムゲートと犠牲層をあらかじめ形成した基板にCVDグラフェンを転写する過程で用いたPMMAレジストを除去せずに支持層として保存し、その上でナノリボンに加工することで解決する方法を考案し、計画通りに3端子機能素子基本プロセスを開発することができた。

今後の研究の推進方策

波動性ナノフォノニック機能構造の設計・作製・評価においては、集束He+イオンビームと電子線直接描画を併用した超微細加工技術により、宙吊りグラフェン上に数100ナノメートル~数ミクロンのナノ孔を全面に形成したフルメッシュ構造と半分だけ形成したハーフメッシュ構造を形成する。さらにサスペンデッドグラフェンを台形形状など伝導方向に非対称型に加工したナノフォノニック構造を形成する。これらのグラフェンフォノニック構造と、4端子測定を可能とする金属マイクロスケールヒーターとセンサーを集積化したナノスケール熱フォノニック素子構造を作製する。
これらの作製素子に対して、まず電気伝導特性を環境温度85K~400Kの範囲で測定する。フォノニック構造の空間的非対称に対して印加バイアス電圧の極性を切り替えることで、電気的コンダクタンスにおける整流性の有無を確認する。次に、熱伝導特性を以下の手法で評価する。四端子測定法によりマイクロヒーター抵抗の環境温度依存性を100~300Kで測定する。次に、マイクロヒーターとセンサー間にナノフォノニック構造有り・無しの2構造に対して、それぞれマイクロヒーターの温度変化ΔThとマイクロセンサーの温度変化ΔTsを測定する。これらの測定を、マイクロヒーターとセンサーを入れ替えて行うことにより、非対称ナノフォノニック構造による熱整流性作用を評価する。
新奇な3端子熱機能素子の探索においては、上記のサスペンデッドナノフォノニック構造に対して、グローバルボトムゲート(基板ゲート)、あるいは基板トレンチ内に形成したローカルボトムゲートから電界を印加して、サスペンデッドナノフォノニック構造に引っ張り応力を加えることで、熱伝導特性を変調する素子原理で3端子化を行う。この方法で、PnBG帯域と熱整流作用を変調することで、熱フォノン伝導をオン・オフする3端子素子の基本構造を試作する。

  • 研究成果

    (10件)

すべて 2020 2019

すべて 雑誌論文 (3件) (うち国際共著 3件、 査読あり 3件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (7件) (うち国際学会 2件、 招待講演 2件)

  • [雑誌論文] Conductance Tunable Suspended Graphene Nanomesh by Helium Ion Beam Milling2020

    • 著者名/発表者名
      Fayong Liu, Zhongwang Wang, Soya Nakano, Shinichi Ogawa, Yukinori Morita, Marek Schmidt, Mayeesha Haque, Manoharan Muruganathan and Hiroshi Mizuta
    • 雑誌名

      Micromachines

      巻: 11 ページ: -

    • DOI

      10.3390/mi11040387

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Modulation of twisted bilayer CVD graphene interlayer resistivity by order of magnitude based on in-situ annealing2019

    • 著者名/発表者名
      Jothiramalingam Kulothungan, Manoharan Muruganathan, Hiroshi Mizuta
    • 雑誌名

      Carbon

      巻: 153 ページ: 355-363

    • DOI

      10.1016/j.carbon.2019.07.036

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Quantum Dot Formation in Controllably Doped Graphene Nanoribbon2019

    • 著者名/発表者名
      Zhongwang Wang, Yahua Yuan, Xiaochi Liu, Jian Sun, Manoharan Muruganathan and Hiroshi Mizuta
    • 雑誌名

      ACS Nano

      巻: 13 ページ: 7502-7507

    • DOI

      10.1021/acsnano.9b02935

    • 査読あり / 国際共著
  • [学会発表] Helium Ion Beam Milling for Chiral Nanostructures2020

    • 著者名/発表者名
      Guenter Ellrott, Shinichi Ogawa, Yukinori Morita, Manoharan Muruganathan, Vojislav Krstic, Hiroshi Mizuta
    • 学会等名
      第67回応用物理学会春季学術講演会
  • [学会発表] Transport properties of large-area fully & half meshed suspended graphene2020

    • 著者名/発表者名
      F. Liu, S. Nakano, M. Haque, Z. Wang, M. Schmidt, S. Ogawa, Y. Morita, M. Manoharan, H. Mizuta
    • 学会等名
      第67回応用物理学会春季学術講演会
  • [学会発表] Fabrication and characterization of asymmetric suspended trapezoid graphene2020

    • 著者名/発表者名
      S. Nakano, F. Liu, H. Mayeesha, M. Muruganathan, H. Mizuta
    • 学会等名
      第67回応用物理学会春季学術講演会
  • [学会発表] Valley Hall Effect in Ungated Bilayer Graphene2019

    • 著者名/発表者名
      Kareekunnan Afsal, Manoharan Muruganathan, Hiroshi Mizuta
    • 学会等名
      Recent Progress in Graphene & 2D Materials Research
    • 国際学会
  • [学会発表] Valley Hall Effect in Unbiased Bilayer Graphene2019

    • 著者名/発表者名
      Kareekunnan Afsal, Manoharan Muruganathan, Hiroshi Mizuta
    • 学会等名
      The 21st International Conference on Electron Dynamics in Semiconductors, Optoelectronics and Nanostructures
    • 国際学会
  • [学会発表] グラフェンナノデバイスによる超高感度環境・生体ガスセンシング技術と熱制御技術の現状と展望2019

    • 著者名/発表者名
      水田 博, G. Agbonlahor, 宮下 寛也, 古川 篤, F. Liu, M. Haque, 中野 颯也, M. Muruganathan, 槇 恒, 恩田 陽介, 服部 将志, 下舞 賢一, 関根 嘉香
    • 学会等名
      北陸産業活性化フォーラム
    • 招待講演
  • [学会発表] グラフェンNEMSとナノイオンビーム加工技術:サブサーマルスイッチング・極限センシング・熱フォノン制御への応用2019

    • 著者名/発表者名
      水田 博
    • 学会等名
      2019年2回極限ナノ造形・構造物性研究会
    • 招待講演

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公開日: 2021-01-27  

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