2017 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 兵庫県立大学, 高度産業科学技術研究所, 教授 (00393744)
吹留 博一 東北大学, 電気通信研究所, 准教授 (10342841)
Maxim・V Ryzhii 会津大学, コンピュータ理工学部, 准教授 (50254082)
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)
高村 真琴 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, 研究主任 (00622250)
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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 / 遷移金属ジカルコゲナイド / テラヘルツ / 量子力学トンネリング / フォトンアシストトンネリング / プラズモンアシストトンネリング / 増幅・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) 当初予定のNi触媒からCu触媒に代えるとともにCVD成膜条件に改良を加えた結果，エピタキシャルグラフェン上への大面積h-BN原子薄膜の成膜に成功した。(2) 無触媒化CVDによるh-BNおよびMoS2等TMD原子数層のGL上製膜の検討を行った。(3) 炭素原子蒸気MBE法によるh-BN上へのグラフェン再成長条件を探求した。(4) オペランド顕微分光法によりDGL各層の物性を元素選択的かつ高空間分解能評価し，素子特性との関係解明に有効であることを確認した。
2．フォトンアシスト共鳴トンネルのTHz機能素子応用 (1) キャリア間散乱多体効果，高次非線形効果をGW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・緩和モデルを構築した。(2) 研究協力者サラマンカ大メチア二教授グループで開発したvdW原子薄膜連続剥離転写装置を導入してG-DGL素子の試作に成功した。(3) DGLカスケードとTMD層からなる二次元量子カスケード構造にバイアス印加することによってTHzフォトンを赤外フォトンに周波数上方変換できる新機能素子を考案し，従来素子より一桁以上高い量子効率が得られることを理論解析によって明らかにした。
３．プラズモンアシスト共鳴トンネルのTHz機能素子応用 (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の実験検証を進め、データ取得を開始した。(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の実験検証を進め、データ取得を開始した。
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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おいては，第一に，エピタキシャルグラフェン上への大面積h-BN原子薄膜の成膜に成功した。第二に，炭素原子蒸気MBE法によるh-BN上へのグラフェン再成長条件を探求し，次年度に計画される実際の成膜に備えて成長面方位制御性，層数制御性，結晶品質の向上の見通しを得た。第三に，オペランド顕微分光法が素子特性との関係解明に有効であることを確認できた。
フォトンアシスト共鳴トンネルのTHz機能素子応用については，第一に、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・緩和モデルを構築した。第二に，ファンデルワールス原子薄膜連続剥離転写装置を導入してG-DGL素子の試作に成功した。第三に，THzフォトンを赤外フォトンに周波数上方変換可能なDGLカスケードとTMD層からなる二次元量子カスケード型の新機能素子を発案し，従来素子より一桁以上高い量子効率を理論解析により明らかにした。
プラズモンアシスト共鳴トンネルのTHz機能素子応用については，第一に，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の実験検証を進め，データ取得を開始した。第二に，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の実験検証を進め，データ取得を開始した。
以上の通り，当初計画に沿う成果が得られており，概ね順調に進展していると評価される。
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| Strategy for Future Research Activity |
１．G-DGL構造プラットフォームの創製 (1) ヘテロエピ成長： Ni触媒を用いる従来法に加えて金属汚染のない無触媒化CVDによるh-BN数原子層製膜，及び無触媒化CVDによるMoS2等TMD原子数層のGL上製膜に引き続き挑む。炭素原子蒸気MBE法によるh-BN上へのグラフェン再成長条件を探求し，成長面方位制御性，層数制御性，結晶品質を向上させる。特に，下層GLと配向した上層GLの再成長を可能とするヘテロエピタキシーの開発に注力する。(2) 結晶品質・物性評価：オペランド顕微分光法によりDGL各層の物性を元素選択的かつ高空間分解能(深さ1，水平<70 nm)評価し，素子特性との関係を引き続き解明する。(3) プロセス技術：協力者らが開発した自然酸化Al2O3犠牲層によるレジストフリー金属オーミック接合，代表者らが開発したゲートスタックプロセス技術を導入し，THz利得の獲得に十分なG-DGL素子基本電気特性を実現する。
2. プラズモン・トンネル二重共鳴のTHz機能素子応用 (1) 設計・試作：レーザー共振器にプラズモニック超放射レージング機構のアルタナティブとして，分布SPPブラッグ反射器を導入し，設計・試作・検証する。(2) 実験：二重共鳴G-DGL構造による電流注入型THzレーザーを試作し，高効率室温THzレーザー発振に挑む。
3. プラズモン・トンネル二重共鳴のTHz機能素子応用 (1) 二重共鳴G-DGL構造によるTHz検出素子を試作し，感度増強効果を実証する。(2) 実験：二重共鳴G-DGL構造ならびに新規考案の二次元量子カスケード構造による非線形波動制御素子（THzパラメトリック周波数変換素子）を試作し，理論予想される既存材料に対する桁違いに高い変換効率を検証する。
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[Journal Article] Manifestation of plasmonic response in the detection of sub-terahertz radiation by graphene based devices2018
Author(s)
Gayduchenko, Igor; Fedorov, Georgy; Moskotin, Maxim; Yagodkin, Denis; Seliverstov, Sergey; Gol'tsman, Gregory; Kuntsevich, Alexander; Rybin, Maxim; Obraztsova, Elena; Leiman, Vladimir; Shur, Michael; Otsuji, Taiichi; Ryzhii, Victor
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Journal Title
Nanotechnol.
Volume: 印刷中
Pages: 印刷中
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Suppression of Supercollision Carrier Cooling in High Mobility Graphene on SiC(000-1)2017
Author(s)
T. Someya, H. Fukidome, H. Watanabe, T. Yamamoto, M. Okada, H. Suzuki, Y. Ogawa, T. Iimori, N. Ishii, T. Kanai, K. Tashima, B. Feng, S. Yamamoto, J. Itatani, F. Komori, K. Okazaki, S. Shin, and I. Matsuda
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Journal Title
Physical Review B
Volume: 95
Pages: 165303-1-7
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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[Presentation] Terahertz light emission in graphene-based active plasmonic metamaterial heterostructures2017
Author(s)
T. Otsuji, T. Watanabe, A. Satou, D. Yadav, S. Boubanga-Tombet, T. Suemitsu, and V. Ryzhii
Organizer
META'17: the 8th International Conference on Metamaterials, Photonic Crystals and Plasmonics, Incheon, Korea, 25-28 July.
Int'l Joint Research / Invited
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[Presentation] Broadband terahertz light emission and lasing in graphene-based van der Waals heterostructures2017
Author(s)
T. Otsuji, D. Yadav, T. Watanabe, S.A. Boubanga-Tombet, V. Ryzhii, A.A. Dubinov, D. Svintsov, M. Ryzhii, V. Mitin, and M.S. Shur
Organizer
EMN: Energy Materials Nanotechnology Lyon Meeting on 2D Materials, Lyon, France, Aug. 9-11.
Int'l Joint Research / Invited
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[Presentation] Asymmetric dual grating gate bilayer graphene FET for detection of terahertz radiation2017
Author(s)
J.A. Delgado Notario, V. Clerico, Y.M. Meziani, E. Diez, J.E. Velazquez, T. Taniguchi, K. Watanabe, D. Yadav, and T. Otsuji
Organizer
IRMMW-THz: 42nd International Conference on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves, Cancun, Quintana Roo, Mexco, Aug. 30.
Int'l Joint Research
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[Presentation] Terahertz light emission and lasing in graphene-based heterostructure 2D material systems -theory and experiments2017
Author(s)
T. Otsuji, D. Yadav, T. Watanabe, S.A. Boubanga-Tombet, V. Ryzhii, A.A. Dubinov, D. Svintsov, M. Ryzhii, V. Mitin, and M.S. Shur
Organizer
NANOP 2017: International Conference on Nanophotonics and Micro/Nano Optics, Barcelona, Spain, Sept. 13-15.
Int'l Joint Research / Invited
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[Presentation] Quantification of Surface Electron Trapping of GaN Transistors by Using Operando Soft X-ray Photoelectron Nanospectroscopy ISSS-8, 2017.10.26, Tsukuba, Japan2017
Author(s)
H. Fukidome, K. Omika, Y. Tateno, T. Kouchi, T. Komatani, N. Nagamura, S. Konno, Y. Takahashi, M. Kotsugi, K. Horiba, M. Suemitsu, M. Oshima
Organizer
ISSS-8, Tsukuba, Japan, , 2017.10.26.
Int'l Joint Research
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