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2023 年度 実績報告書

モアレ超格子によるスピン・バレー利用型量子素子の開発と物性制御

研究課題

研究課題/領域番号 21H01400
配分区分補助金
研究機関国立研究開発法人物質・材料研究機構

研究代表者

岩崎 拓哉  国立研究開発法人物質・材料研究機構, ナノアーキテクトニクス材料研究センター, 独立研究者 (50814274)

研究分担者 早川 竜馬  国立研究開発法人物質・材料研究機構, ナノアーキテクトニクス材料研究センター, 主幹研究員 (90469768)
研究期間 (年度) 2021-04-01 – 2025-03-31
キーワードグラフェン / モアレ超格子 / 六方晶窒化ホウ素 / 量子ホール効果 / バレーホール効果
研究実績の概要

本研究課題は、スピンおよびバレー自由度を利用する新奇原理で動作する素子の開発を目的とする。これを実現するために、二層グラフェン/六方晶窒化ホウ素(hBN)モアレ超格子を基礎とした微細構造デバイスの設計・作製に取り組んでいる。バレー自由度に起因する輸送現象であるバレーホール効果は反転対称性の破れた系で観測されており、二層グラフェン/hBNモアレ超格子においても観測されている。我々は二層グラフェン/hBNモアレ超格子におけるバレーホール効果の垂直電場による制御を検討した。デュアルゲート構造により二層グラフェンのキャリア密度と垂直電場を独立に制御することで、バンドギャップを調整し、バレーホール効果に起因する巨大な非局所抵抗の制御に成功した。また、グラファイトバックゲートを有するゲート定義型量子ポイントコンタクトデバイスを試作した。幅100 nm以下で設計したスプリットゲートとバックゲートにより垂直電場を印加し、バンドギャップを形成することで1次元チャネルを形成した。低温での輸送特性測定において、磁場、電場を調整することで、コンダクタンスが量子化し、階段状に変化する特性を観測した。また、電子の伝導方向に長いスプリットゲートを作製し、その上に絶縁膜・トップゲートを作製し、量子デバイスを試作した。比較的高温での輸送特性測定において、量子干渉効果に起因するコンダクタンスの振動を観測し、閉じ込め構造が形成されていることを確認した。

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

高品質なグラファイトバックゲートおよびデュアルゲート型二層グラフェン/hBN超格子デバイスの作製およびバレーホール効果の観測および制御に成功した。また、コンタクト電極作製プロセスを見直し、デバイス作製の歩留まりが改善した。トップゲート用絶縁膜、微細構造ゲート電極の作製プロセスの最適化も進んでいる。

今後の研究の推進方策

これまでに確立した作製プロセスにより、hBN/二層グラフェン/hBN構造を基礎とするゲート定義型微細構造デバイスを作製し、低温電子輸送測定を進める。量子ポイントコンタクトデバイスの解析を進め、設計等をフィードバックし、量子ドットデバイスの実現および少数電子状態の制御を目指す。デバイス品質の更なる向上を目指し、グラファイト電極によるデュアルゲート構造デバイスの設計・作製を検討する。また、上下のhBNと二層グラフェンの相対積層角度を調整したデバイスの作製および電子輸送測定を検討する。

  • 研究成果

    (8件)

すべて 2024 2023

すべて 雑誌論文 (2件) (うち査読あり 2件) 学会発表 (6件) (うち国際学会 5件、 招待講演 3件)

  • [雑誌論文] Gapped Dirac materials and quantum valley currents in dual-gated hBN/bilayer-graphene heterostructures2024

    • 著者名/発表者名
      Iwasaki Takuya、Morita Yoshifumi、Watanabe Kenji、Taniguchi Takashi
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 109 ページ: 075409-1~5

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.109.075409

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Photo-thermoelectric effect-driven detection of optical communication light in graphene/hBN heterostructures2024

    • 著者名/発表者名
      Iwasaki Takuya、Sato Yodai、Ogo Makoto、Oh Byunghun、Kozawa Daichi、Kitaura Ryo、Watanabe Kenji、Taniguchi Takashi、Moriyama Satoshi、Fujikata Junichi
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics

      巻: 63 ページ: 030903~030903

    • DOI

      10.35848/1347-4065/ad2bd6

    • 査読あり
  • [学会発表] Tunable energy gap and a phase transition in bilayer graphene/hexagonal boron nitride superlattices2023

    • 著者名/発表者名
      Takuya Iwasaki
    • 学会等名
      Quantum Phenomena in 2D Matter
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Dual gating and manipulation of the quantum valley currents in hBN/bilayer-graphene superlattices2023

    • 著者名/発表者名
      Takuya Iwasaki, Yoshifumi Morita, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi
    • 学会等名
      2023 International Conference on Solid State Devices and Materials
    • 国際学会
  • [学会発表] Dual gating of hBN/bilayer-graphene superlattices: band-engineering and doping a Dirac material2023

    • 著者名/発表者名
      Yoshifumi Morita, Takuya Iwasaki, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi
    • 学会等名
      2023 International Conference on Solid State Devices and Materials
    • 国際学会
  • [学会発表] Quantum transport properties in bilayer graphene superlattices2023

    • 著者名/発表者名
      Takuya Iwasaki
    • 学会等名
      MANA International Symposium 2023 Nanoarchitectonics and Quantum Materials
    • 国際学会
  • [学会発表] Recent progress on graphene quantum dot devices2023

    • 著者名/発表者名
      Takuya Iwasaki
    • 学会等名
      Quantum Innovation 2023
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] グラフェン/六方晶窒化ホウ素超格子の量子輸送特性2023

    • 著者名/発表者名
      岩崎 拓哉
    • 学会等名
      電子材料研究会
    • 招待講演

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公開日: 2024-12-25  

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