2016 Fiscal Year Annual Research Report
Creation of 2D-Atomically-Thin-Layered Heterojunctions and their Applications to Novel Terahertz Photonic Devices
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16H06361
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
尾辻 泰一 東北大学, 電気通信研究所, 教授 (40315172)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
鈴木 哲 日本電信電話株式会社NTT物性科学基礎研究所, 機能物質科学研究部, 主任研究員 (00393744)
Maxim・V Ryzhii 会津大学, コンピュータ理工学部, 准教授 (50254082)
吹留 博一 東北大学, 電気通信研究所, 准教授 (10342841)
TOMBET STEPHANE 東北大学, 電気通信研究所, 准教授 (00726911) [Withdrawn]
佐藤 昭 東北大学, 電気通信研究所, 准教授 (70510410)
渡辺 隆之 東北大学, 電気通信研究所, 助教 (80771807)
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| Project Period (FY) |
2016-05-31 – 2021-03-31
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| Keywords | グラフェン / 二次元原子薄膜 / ヘテロ接合 / テラヘルツ / プラズモンポラリトン / 複合量子系 / 増幅・発振 / 検出 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
１．G-DGL構造プラットフォームの創製 (1) 剥離・転写法の高度化：分担者：吹留開発の超高品質エピタキシャルグラフェン(移動度~10^5 cm^2/Vs)と，連携者：谷口開発の世界最高品質バルクh- BNを各々剥離・転写し，グラフェンの配向不確定性の改善を図った．(2) ヘテロエピ成長：分担者：鈴木開発のCVD単層製膜法を改良し，エピグラフェン上へのh-BN数層の選択成長の準備が整った．(3) 結晶品質・物性評価：3D-nano-ESCA(3次元ナノビーム光電子解析)，PEEM(光電子顕微鏡)を用いて，電圧印加状態におけるグラフェン電子物性を，独自のオペランド３次元局所場顕微分光法で観察した．
2．フォトンアシスト共鳴トンネルのTHz増幅素子応用 (1) デバイスモデリング：量子力学トンネルにフォトン・プラズモン・フォノンが介在する非線形複合量子系を，第一段階として，一電子近似および強束縛近似に基づく密度行列でモデル化した．(2) 実験：フーリエ赤外分光とTHz時間分解分光によりG-DGL試作素子の自然放出ならびに電流注入グラフェントランジスタからのTHz誘導放出を相補的に測定し，理論予測される高い利得係数を実証した．
３．プラズモンアシスト共鳴トンネルのTHz増幅・検出素子応用 (1) 理論・設計・試作・実験：代表者らが理論的に発見した音響モードSPPが共鳴トンネリングをアシストすることによって得られるTHz利得・感度増強効果を実験検証した．
４．プラズモン・トンネル二重共鳴のTHz増幅・検出素子応用 (1) 理論・設計・試作：共鳴トンネルに寄与するTHzフォトンはDGL面と鉛直方向に電場成分を有する偏光成分のみで，DGL面内電場成分のフォトンでのみ励起できるグラフェン SPPとは直接相互作用しない．上記の二重回折格子ゲートの導入による結合作用を実験検証した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
G-DGL構造プラットフォームの創製については、(1) 剥離・転写法の高度化に一定の成果が得られ、(2) ヘテロエピ成長においては成膜装置の改良を終えてエピグラフェン上h-BN選択成長の準備が整い、(3) 結晶品質評価では電圧印加状態におけるグラフェン電子物性を，独自のオペランド３次元局所場顕微分光法での観察に成功した．期待通りの成果を収めた．
フォトンアシスト共鳴トンネルのTHz増幅素子応用については、(1) デバイスモデリング第一段階（量子力学トンネルにフォトン・プラズモン・フォノンが介在する非線形複合量子系を，一電子近似および強束縛近似に基づく密度行列でモデル化）完了、(2) G-DGL試作素子の自然放出ならびに電流注入グラフェントランジスタからのTHz誘導放出を相補的に測定し，理論予測される高い利得係数を実証し、期待通りの成果を収めた．
プラズモンアシスト共鳴トンネルのTHz増幅・検出素子応用については、代表者らが理論的に発見した音響モードSPPが共鳴トンネリングをアシストすることによって得られるTHz利得・感度増強効果を実験検証した．
プラズモン・トンネル二重共鳴のTHz増幅・検出素子応用については、共鳴トンネルに寄与するTHzフォトンはDGL面と鉛直方向に電場成分を有する偏光成分のみでありグラフェン SPPとは直接相互作用しないところに、上記の二重回折格子ゲートの導入によって結合作用が得られることを実験検証した．
いずれも、当初の計画に見合う成果を得ており、概ね順調に進展していると評価できる．
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| Strategy for Future Research Activity |
研究計画2年目となる平成29年度においては、当初計画通りに以下の点に注力する．
１．G-DGL構造プラットフォームの創製 28年度改良実施の装置を活用し、グラフェン上h-BN選択成長ならびにh-BN上グラフェン再成長に挑むとともに、独自開発による高品質G-DGL素子作製プロセス技術を完成する．
２．フォトンアシスト共鳴トンネルのTHz増幅・検出素子応用 (1) キャリア間散乱多体効果，高次非線形効果をBorn近似で定式化し，量子効率を律速するAuger過程を表現しうる高精度キャリア量子輸送・緩和モデルを構築する．(2) 分担者：鈴木のCVD技術を高度化し、バンドオフセットとトンネル有効質量が小さく，h-BNより高いトンネル確率とTHz利得・感度に有利なTMD材料MoS2のトンネルバリアへの導入を試みる．
３．プラズモンアシスト共鳴トンネルのTHz増幅・検出素子応用 (1) 28年度検討結果を踏まえ，プラズモン共鳴モード用に二重回折格子ゲートG-DGL、プラズモン伝搬用に単一ゲートG-DGLを各々試作し，THz発光効率・検出感度の増強効果を明らかにする．(2) GL間角度偏差等で生じる運動量非保存トンネリングによる減衰効果とともに，代表者らが理論解明したプラズモン分散の空間変調効果がもたらすプラズモン減衰効果を定量的に実験検証する．
４．プラズモン・トンネル二重共鳴のTHz発振・検出・非線形波動応用 代表者らが発見したグラフェン単体上回折格子ゲートによるプラズモニックな超放射・レーザー発振機構を，G-DGL構造に実装し，検証する．
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[Journal Article] Suppression of supercollision carrier cooling in high mobility graphene on SiC(000-1)2017
Author(s)
Takashi Someya, Hirokazu Fukidome, Hiroshi Watanabe, Takashi Yamamoto, Masaru Okada, Hakuto Suzuki, Yu Ogawa, Takushi Iimori, Nobuhisa Ishii, Teruto Kanai, Keiichiro Tashima, Baojie Feng, Susumu Yamamoto, Jiro Itatani, Fumio Komori, Kozo Okazaki, Shik Shin, and Iwao Matsuda
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Journal Title
Phys. Rev. B
Volume: 印刷中
Pages: 印刷中
DOI
Open Access / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Graphene-based van der Waals heterostructures for emission and detection of terahertz radiation (invited)2016
Author(s)
T. Otsuji, A. Dubinov, V.Y. Aleshkin, D. Svintsov, M. Ryzhii, S. Boubanga-Tombet, D. Yadav, A. Satou, V. Mitin, M.S. Shur, and V. Ryzhii
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Journal Title
Proc. SPIE
Volume: 9856
Pages: 985603-1-8
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Emission and detection of terahertz radiation in graphene-based van der Waals heterostuctrues2016
Author(s)
T. Otsuji, S.A. Boubanga-Tombet, T.Watanabe, D. Yadav, A. Satou, A.A. Dubinov, D. Svintsov, M. Ryzhii, V. Mitin, M.S. Shur, and V. Ryzhii
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Journal Title
EMN Meeting on Terahertz Proc.
Volume: 1
Pages: C38
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Graphene-based van der Waals heterostuctrue plasmonic metamaterials for terahertrz device applications (invited)2016
Author(s)
T. Otsuji, D. Svintsov, A. Dubiniv, D. Yadav, S. Boubanga Tombet, T. Watanabe, A. Ssatou, V. Ryzhii, V. Mitin, and M.S. Shur
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Journal Title
META 2016: 7th International Conference on Metamaterials, Photonic Crystals and Plasmonics Proc.
Volume: 1
Pages: 181-182
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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