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2022 年度 実施状況報告書

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 20K20442
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) 2020-04-01 – 2024-03-31
キーワードNEMS / グラフェン / ナノイオンビーム / 熱フォノン / 熱整流素子 / ナノメッシュ
研究実績の概要

本年度は、ナノ孔エッジでのフォノン散乱とナノ孔間でのフォノン局在の影響を調べるため、従来の極小孔ナノメッシュ(円形ナノ孔の直径3 ~ 6 nm)よりも大きな正方形(□型)の孔を電子線直接描画(EB)で形成した非対称チャネル構造を採用した。Si/SiO2基板上にEBでグラフェンを長さ0.5 um、幅1.2 umの長方形チャネルに加工し、チャネル幅方向に□型孔を一列に形成した後、BHFエッチングとCO2超臨界乾燥法でチャネルを宙吊りにする作製プロセスを新たに開発した。真性グラフェン中のフォノン平均自由行程~0.775 umに対して、チャネル長を0.5 umとすることで、チャネル内のフォノン輸送が準バリスティック輸送となるように設計している。□型孔は寸法100 nm、間隔150 nmとし、チャネル中央から50 nmオフセットした位置に4個の□型孔列として形成し、非対称チャネル構造を完成した。このチャネルの両端にオーミック接続する4端子電極を作製し、独自のDifferential Thermal Leakage計測法を用いることで、同一素子を用いた電気伝導特性と熱伝導特性評価を実施した。まず、作製した全ての非対称□型孔列チャネルに対して、電圧の極性を入れ替えても電気伝導特性に非対称性はみられないことを確認した。その上で、4端子電極のヒーターと熱シンクを入れ替える方法で、熱バイアスの極性を切り替えて熱伝導特性を環境温度100 K~300 Kで評価したところ、100 Kで82%、150 Kで73%、200 Kで67%の熱整流率を得ることに成功した。200 Kより高温では熱整流作用が急激に減少し、250 Kで16%、300 Kでは消失した。この結果は、R3年度で得られたハーフナノメッシュチャネル構造、および台形型チャネル構造に対する結果と同様の温度依存性である。

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

寸法100 nmの□型孔列形成に際して、当初は前年度までと同様にヘリウムイオンビームミリング(HIBM)技術を用いて宙吊りグラフェン上に直接加工するプロセスを検討したが、宙吊りチャネルが破断する問題が発生した。これはヘリウムイオンビーム照射時間が増加し、チャネル全体へのダメージが増大するためだと考えられる。そのため本年度は、素子作製方法を電子線直接描画とRIEによる孔形成プロセスに切り替えた。しかし、このプロセスの場合、グラフェン両持ち梁を宙吊りにする工程が□型孔列形成の後になり、BHFエッチングと洗浄時の溶液表面張力によるグラフェン梁損傷の問題が大きくなる。これを回避するため、①グラフェンチャネルを幅広(W~1.2 um)で短い(L~500 nm)構造とし、②さらにナノ孔間隔を150 nm、チャネルエッジから□型孔列までのオフセットを約200 nmに設計することで、ナノ孔列形成後も一定の梁強度を保つことができ、素子の安定的作製に成功した。
一方で、チャネル長を500 nmと短くしたため、□型孔列の位置を電極端からチャネル中央まで段階的にシフトさせた構造を作製して、構造の非対称度と熱整流率との相関を調べることはできなかった。これは次年度の課題である。また、同じ理由により、宙吊りグラフェンチャネルに対して基板電極からの引張応力を印加できず熱伝導度の変調実現には至らなかった。しかし、別に試作したナノ孔形成無しの宙吊り単層グラフェンチャネル構造(チャネル長L~1 um、幅W~500 nm)では、チャネル上部に設けたブリッジ型トップゲートによる電圧印加でチャネルのアクチュエーション動作に成功している。この技術を基盤として、次年度は3端子型の熱整流素子実現とチャネルの機械的変位と熱整流作用の相関解明に挑む。

今後の研究の推進方策

ナノフォノニック構造の開発においては、R4年度で構築したEBによるナノ孔列形成技術により、ナノ孔の形状(長方形、三角形)と配置(1列、2列スタガード配置、列のオフセット距離)を変化させた様々な非対称チャネル素子を作製する。特に、チャネル方向にナノ孔寸法を長くした長方形孔列構造では、隣接する孔間の熱フォノン局在度の変化に着目して構造を設計する。ヘリウムイオンビームミリングによるナノメッシュ形成では、チャネル長に対するナノメッシュ長の比を10 %~50%と変化させたによる非対称ナノメッシュ素子を作製する。また、R3年度で検討した台形型チャネルと、非対称ナノ孔列を組み合わせた複合構造による熱整流作用増大についても検討する。これらの素子における熱整流率を統合的に解析し、構造非対称性と熱整流作用の相関を明らかにする。いずれの素子構造においても、グラフェンのフォノン平均自由行程MFP~775 nmに対して、チャネル長L>MFP、L<MFPの構造を作製し、波動性(弾道)熱フォノンの寄与を評価する。
熱整流現象のメカニズム解明においては、原子スケールでナノ形状(エッジおよびナノ孔)を考慮した非平衡分子動力学(NEMD)シミュレーションを実施する。ナノ孔の寸法・形状・配置を変化させ、局所フォノン状態密度とチャネル内温度分布の変化を解析することで、非平衡熱フォノン分布が熱整流現象に与える影響を解明する。3端子化による新奇熱機能素子の開発においては、局所ボトムゲートあるいはブリッジ型トップゲートを設けたチャネル長L > 1 umの非対称チャネル素子を作製し、チャネルのアクチュエーション動作に伴う熱伝導特性の変調を評価する。

  • 研究成果

    (18件)

すべて 2023 2022 その他

すべて 雑誌論文 (3件) (うち国際共著 3件、 査読あり 3件) 学会発表 (14件) (うち国際学会 10件、 招待講演 3件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] Machine learning identification of atmospheric gases by mapping the graphene-molecule van der waals complex bonding evolution2023

    • 著者名/発表者名
      Osazuwa G. Agbonlahor, Manoharan Muruganathan, Amit Banerjee, Hiroshi Mizuta
    • 雑誌名

      Sensors and Actuators B: Chemical

      巻: 380 ページ: 133383-133383

    • DOI

      10.1016/j.snb.2023.133383

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Sub 0.5 Volt Graphene-hBN van der Waals Nanoelectromechanical Switches2022

    • 著者名/発表者名
      Manoharan Muruganathan, Ngoc Huynh Van, Marek E. Schmidt, and Hiroshi Mizuta
    • 雑誌名

      Advanced Functional Materials

      巻: 32 ページ: 2209151-2209151

    • DOI

      10.1002/adfm.202209151

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Carbon molecular sieve-functionalized graphene sensors for highly sensitive detection of ethanol2022

    • 著者名/発表者名
      Sankar Ganesh Ramaraj, Manoharan Muruganathan, Osazuwa G. Agbonlahor, Hisashi Maki, Yosuke Onda, Masashi Hattori, Hiroshi Mizuta
    • 雑誌名

      Carbon

      巻: 190 ページ: 359-365

    • DOI

      10.1016/j.carbon.2022.01.023

    • 査読あり / 国際共著
  • [学会発表] Observation of Valley Hall effect in non-encapsulated bilayer graphene2023

    • 著者名/発表者名
      Teppei Shintaku, Kareekunnan Afsal, Masashi Akabori, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Hiroshi Mizuta
    • 学会等名
      The 64th Fullerenes-Nanotubes-Graphene General Symposium
    • 国際学会
  • [学会発表] 光照射STMによるグラフェンナノデバイスの熱励起電子観測2023

    • 著者名/発表者名
      川村 亮太, 金 唐逸, Fayong Liu, 玉置 亮, 草場 哲, 水田 博, 片山 郁文, 武田 淳
    • 学会等名
      第70回応用物理学会春季学術講演会
  • [学会発表] 多層グラフェンのラマンスペクトルの温度依存性と光学フォノン温度2023

    • 著者名/発表者名
      劉 鋭安, カリクンナン アフサル, 宮田 全展, 水田 博, 小矢野 幹夫
    • 学会等名
      第70回応用物理学会春季学術講演会
  • [学会発表] hBN-二層グラフェンヘテロ構造を用いたバレーホール効果の観測2023

    • 著者名/発表者名
      新宅 哲平, カリクンナン アフサル, 赤堀 誠志, 渡邊 賢治, 谷口 尚, 水田 博
    • 学会等名
      第70回応用物理学会春季学術講演会
  • [学会発表] Low-frequency noise of suspended CVD graphene in oxygen environment2022

    • 著者名/発表者名
      Alexandro de Moraes Nogueira, Manoharan Muruganathan, Hiroshi Mizuta
    • 学会等名
      International Symposium on Empathy and Symbiosis with Nature
    • 国際学会
  • [学会発表] 非対称グラフェンナノメッシュデバイスの熱伝導特性に関する研究2022

    • 著者名/発表者名
      大園 祥輝, ファヨン リウ, 小川 真一, 森田行則, マノハラン・ムルガナタン, 水田 博
    • 学会等名
      自然との共感・共生国際シンポジウム
    • 国際学会
  • [学会発表] 原子層材料によるサイレントボイスセンシング2022

    • 著者名/発表者名
      水田 博
    • 学会等名
      自然との共感・共生国際シンポジウム
    • 国際学会
  • [学会発表] Beyond Graphene: TMDC 2D materials for advanced sensing and information processing2022

    • 著者名/発表者名
      Afsal Kareekunnan
    • 学会等名
      International Symposium on Empathy and Symbiosis with Nature
    • 国際学会
  • [学会発表] Research funding trends in Japan and development of Silent Voice Sensing Technology2022

    • 著者名/発表者名
      Hiroshi MIZUTA
    • 学会等名
      NanoFutures 2022
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Sub-10-nm nanomesh patterned on suspended graphene for nanoscale thermal engineering2022

    • 著者名/発表者名
      H. Mizuta, G. Jiayu, Y. Ozono, S. Ogawa, Y. Morita, A. Kareekunnan, M. Muruganathan and F. Liu
    • 学会等名
      IEEE 16th International Conference on Solid-State and Integrated CIrcuit Technology (ICSICT2022)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Sub-10-nm patterning on suspended graphene by using focused He ion beam for heat phonon engineering2022

    • 著者名/発表者名
      H. Mizuta, G. Jiayu, Y. Ozono, S. Ogawa, Y. Morita, A. Kareekunnan, M. Muruganathan and F. Liu
    • 学会等名
      2nd International Meet and Expo on Nanotechnology (NANOMEET2022)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Temperature dependence of CVD graphene nanomechanical resonator2022

    • 著者名/発表者名
      Alexandro Nogueira, Shohei Enomoto, Manoharan Muruganathan, Afsal Kareekunnan, Masashi Akabori, Hiroshi Mizuta
    • 学会等名
      第83回応用物理学会秋季学術講演会
  • [学会発表] Fabrication of MoS2 nanoribbon by direct transfer for in-situ TEM observation2022

    • 著者名/発表者名
      Chunmeng Liu, Xiaobin Zhang, Jiaqi Zhang, Muruganathan Manoharan, Hiroshi Mizuta, Yoshifumi Oshima
    • 学会等名
      The 22nd International Vacuum Congress
    • 国際学会
  • [学会発表] Structure Dependent Current-Voltage Curves of Suspended Graphene Nanoribbon2022

    • 著者名/発表者名
      Limi Chen, Chunmeng Liu, Fayong Liu, Kareekunnan Afsal, Manoharan Muruganathan, Hiroshi Mizuta, Yoshifumi Oshima
    • 学会等名
      The 22nd International Vacuum Congress
    • 国際学会
  • [備考] グラフェンナノメッシュデバイスを用いたナノスケール熱制御の研究

    • URL

      http://www.jaist.ac.jp/ms/labs/mizuta-lab/post-4.html

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公開日: 2023-12-25  

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