イオン液体微小ゲートを用いたグラフェンの新規伝導現象の解明

2016 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 26400361
• 研究機関: 岡山大学
• 研究代表者: 後藤 秀徳 岡山大学, 異分野基礎科学研究所, 助教 (90322669)
• 研究期間 (年度): 2014-04-01 – 2017-03-31
• キーワード: グラフェン / イオン液体 / 電気二重層 / キャリア蓄積 / 分子吸着 / 自己組織化単分子膜 / 電子移動 / バンド制御

研究実績の概要

本研究では、グラフェンをはじめとする2次元層状物質へのキャリア蓄積による新規物性を探索してきた。イオン液体の電気二重層を用いた電界効果と並行して、分子吸着を用いた電子（またはホール）のドーピングをおこない、両方法で達成できるキャリア密度を定量的に見積もり、キャリア蓄積を決定する要因を明らかにしてきた。平成28年度はこれらの両方法の等価性と相違性をさらに詳しく調べた。2層グラフェンの両面から正負のゲート電圧を印加する電界効果と、両面から電子供与性／受容性分子を接するドーピング効果を比較した。電界効果では垂直電場が2層グラフェンに加わり、その結果、価電子帯と伝導帯にギャップが開くことが示されていた。しかしドーピング効果の場合には、バンド間にギャップが開くもの、逆にバンドの重なりが増えるもの、と異なる性質を示す試料が得られ、その違いが電子供与／受容性分子の配置に依存することを明らかにした。すなわち、垂直電界が生成するためには両分子がグラフェンを挟んで対称な位置に存在する必要がある。従来、電界効果とドーピング効果はキャリア蓄積に関して同一の効果を与えられると考えられてきたが、ドーピング効果の場合には静電ポテンシャルの空間的な不均一性がより顕著であることを示した。電界効果の場合であっても、極めて薄い電気二重層をゲートとして用いる場合には不均一性が問題になり、キャリアドープによる新規物性の発現に影響を与えることが示唆される。本研究の成果については論文作成中である。
グラフェン以外の2次元層状物質については、半導体であるLaOBiS2へのイオン液体ゲートを用いた電子蓄積によって超伝導誘起の観測に成功した。また、トポロジカル絶縁体のフェルミエネルギーを制御して表面状態特有の伝導現象を観測した。このように、電気二重層によるキャリア蓄積の研究対象をグラフェン以外にも広げ、新現象の探索に努めた。

研究成果

• [雑誌論文] Recent progress on carbon-based superconductors (2016)
  • 著者名/発表者名: Yoshihiro Kubozono, Ritsuko Eguchi, Hidenori Goto, Shino Hamao, Takashi Kambe, Takahiro Terao, Saki Nishiyama, Lu Zheng, Xiao Miao and Hideki Okamoto
  • 雑誌名: J. Phys.: Condens. Matter 巻: 28 ページ: 334001-1-15
  • DOI: 10.1088/0953-8984/28/33/334001
  • 査読あり
• [雑誌論文] Emergence of superconductivity in (NH3)yMxMoSe2 (M: Li, Na and K) (2016)
  • 著者名/発表者名: Xiao Miao, Saki Nishiyama, Lu Zheng, Hidenori Goto, Ritsuko Eguchi, Hiromi Ota, Takashi Kambe, Kensei Terashima, Takayoshi Yokoya, Huyen T. L. Nguyen, Tomoko Kagayama, Naohisa Hirao, Yasuo Ohishi, Hirofumi Ishii, Yen-Fa Liao and Yoshihiro Kubozono
  • 雑誌名: Sci. Rep. 巻: 6 ページ: 29292-1-9
  • DOI: 10.1038/srep29292
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Chemical analysis of superconducting phase in K-doped picene (2016)
  • 著者名/発表者名: Takashi Kambe, Saki Nishiyama, Huyen L T Nguyen, Takahiro Terao, Masanari Izumi, Yusuke Sakai, Lu Zheng, Hidenori Goto, Yugo Itoh, Taiki Onji, Tatsuo C Kobayashi, Hisako Sugino, Shin Gohda, Hideki Okamoto and Yoshihiro Kubozono
  • 雑誌名: J. Phys.: Condens. Matter 巻: 28 ページ: 444001-1-6
  • DOI: 10.1088/0953-8984/28/44/444001
  • 査読あり
• [雑誌論文] Photoelectron Holographic Atomic Arrangement Imaging of Cleaved Bimetal-intercalated Graphite Superconductor Surface (2016)
  • 著者名/発表者名: Fumihiko Matsui, Ritsuko Eguchi, Saki Nishiyama, Masanari Izumi, Eri Uesugi, Hidenori Goto, Tomohiro Matsushita, Kenji Sugita, Hiroshi Daimon, Yuji Hamamoto, Ikutaro Hamada, Yoshitada Morikawa and Yoshihiro Kubozono
  • 雑誌名: Sci. Rep. 巻: 6 ページ: 36258-1-10
  • DOI: 10.1038/srep36258
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Superconductivity in (NH3)yNaxFeSe0.5Te0.5 (2016)
  • 著者名/発表者名: Lu Zheng, Yusuke Sakai, Xiao Miao, Saki Nishiyama, Takahiro Terao, Ritsuko Eguchi, Hidenori Goto and Yoshihiro Kubozono
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 94 ページ: 174505-1-5
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.94.174505
  • 査読あり
• [雑誌論文] Electrostatic electron-doping yields superconductivity in LaOBiS2 (2016)
  • 著者名/発表者名: Eri Uesugi, Saki Nishiyama, Hidenori Goto, Hiromi Ota and Yoshihiro Kubozono
  • 雑誌名: Appl. Phys. Lett. 巻: 109 ページ: 252601-1-5
  • DOI: 10.1063/1.4972400
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [学会発表] 電界効果によるカルコゲナイド層状物質の電子状態の研究 (2017)
  • 著者名/発表者名: 上杉 英里, 後藤 秀徳, Miao Xiao, He Tong, 太田 弘道, 上野 哲平, 小林 夏野, 秋光 純, 久保園 芳博
  • 学会等名: 日本物理学会第72回年次大会
  • 発表場所: 大阪大学（大阪府・豊中市）
  • 年月日: 2017-03-17 – 2017-03-20
• [学会発表] 自己組織化単分子膜と吸着分子を用いた2層グラフェンのバンドギャップ制御 (2017)
  • 著者名/発表者名: 内山貴生, 後藤秀徳, 秋吉秀彦, 上杉英里, 江口律子, 長田洋, 西川尚男, 久保園芳博
  • 学会等名: 日本物理学会第72回年次大会
  • 発表場所: 大阪大学（大阪府・豊中市）
  • 年月日: 2017-03-17 – 2017-03-20
• [学会発表] Electronic properties of graphene with molecular adsorption (2016)
  • 著者名/発表者名: Hidenori Goto
  • 学会等名: The 3rd INRS and Okayama University - International Scientific Workshop
  • 発表場所: 岡山大学（岡山県・岡山市）
  • 年月日: 2016-09-30 – 2016-09-30
• [学会発表] 自己組織化単分子膜と分子吸着を用いた数層グラフェンの電子状態制御 (2016)
  • 著者名/発表者名: 後藤秀徳, 内山貴生, 秋吉秀彦, 上杉英里, 江口律子, 齋藤軍治, 吉田幸大, 長田 洋, 西川尚男, 久保園芳博
  • 学会等名: 日本物理学会2016年秋季大会
  • 発表場所: 金沢大学（石川県・金沢市）
  • 年月日: 2016-09-13 – 2016-09-16
• [学会発表] Electron transfer between graphene and adsorbed molecules (2016)
  • 著者名/発表者名: Hidenori Goto, Hidehiko Akiyoshi, Takaki Uchiyama, Ritsuko Eguchi and Yoshihiro Kubozono
  • 学会等名: EMN 2D Materials Meeting
  • 発表場所: San Sebastian, Spain
  • 年月日: 2016-05-19 – 2016-05-23
  • 国際学会 / 招待講演