2020 Fiscal Year Final Research Report

Creation of 2D-Atomically-Thin-Layered Heterojunctions and their Applications to Novel Terahertz Photonic Devices

Research Project

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Project/Area Number	16H06361
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (S)
Allocation Type	Single-year Grants
Research Field	Electron device/Electronic equipment
Research Institution	Tohoku University
Principal Investigator	OTSUJI Taiichi 東北大学, 電気通信研究所, 教授 (40315172)
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) 高村真琴日本電信電話株式会社NTT物性科学基礎研究所, 多元マテリアル創造科学研究部, 研究主任 (00622250) 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, 上級准教授 (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) TOMBET STEPHANE 東北大学, 電気通信研究所, 准教授 (00726911)
Project Period (FY)	2016-05-31 – 2021-03-31
Keywords	二次元材料 / ファンデルワールスヘテロ接合 / グラフェン / テラヘルツ / プラズモン / デバイス
Outline of Final Research Achievements	In this study, we developed two-dimensional atomically-thin van der Waals heterojunction materials of semimetals like graphene, insulators like h-BN and semiconductors like WS2 as a material-system platform, and discovered distinctive physical phenomena in complex quantum systems involving electrons, photons, plasmons, and phonons as a new operating mechanism. By introducing such a mechanism in the developed 2D material systems we created the novel functional devices that can realize the functions of amplification, oscillation, detection, and nonlinear wave control in the terahertz region with high energy efficiency that cannot be achieved by conventional materials and physical mechanisms.
Free Research Field	工学
Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements	テラヘルツ周波数帯がメインストリームとなる次世代超高速無線通信技術：６G，７Gの到来が目前に迫っている．しかしながら，トランジスタを中心とする電子デバイスも，レーザーを中心とする光デバイスも，テラヘルツ領域では本質的な物理限界を来たしていた．本研究の成果は，小型・集積化可能かつ低消費電力な光源・信号処理デバイスを新材料・新原理の導入によって実現する見通しを得たものである．学術的には，特異な光電子物性を有するグラフェンと相補的二次元材料とのヘテロ接合によって新しい非線形複合量子効果を発現せしめ，その物性を未開拓テラヘルツ周波数帯での機能デバイス応用として工学応用を果たした点で意義が高い．