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グラフェン接合における特異な伝導現象を観測するためには、①グラフェン中でバリスティック伝導が起こっていること、②グラフェンのフェルミ準位がディラック点の近傍にあること、が必須であり、本研究が対象とする、超伝導／強磁性／超伝導グラフェン接合においてもこれは当てはまる。一方で、通常の電子線リソグラフィーを用いた試料作製方法では、接合長が長く伝導は拡散的となることが知られている。
本研究ではまず、バリスティック伝導の実現を目的として、極めて短いグラフェン接合の作製方法を開発し、Al/グラフェン/Alでできた長さ50nmの接合においてバリスティック伝導の温度依存性を示す超伝導電流を観測した。しかしながら、この接合では通常のグラフェンに比べて、ゲート電界に対する電気伝導率の変化量が激減することが明らかになった。この原因としてグラフェンと電極金属の仕事関数差によるグラフェンのフェルミレベルピニングを考え、実際に、同一グラフェン上に接合長の異なる接合を作製し、接合が短くなるほど電界効果が弱まることを確認した。
フェルミレベルピニングがあると②が実現しない。これを軽減・除去するためには、界面に障壁を作るのが有効であるが、これは同時に超伝導近接効果を弱める。そこで、グラフェンと仕事関数が近い多層グラフェンを界面に挿入することを考えた。グラフェン成長に用いる金属触媒ＣＶＤ法を応用し、SiO2/Si基板に置かれたグラフェン上に多層グラフェンを成長する方法を開発した。成長条件を工夫することで、ラマンＤバンド強度を大幅に弱め、均一な多層グラフェンを得ることに成功した。また、多層グラフェンを挿入した接合、しない接合を比較し、電界効果の増大を確認した。
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