2019 Fiscal Year Annual Research Report
Bandgap renormalization in suspended carbon nanotube devices
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18F18362
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| Research Institution | Institute of Physical and Chemical Research |
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Principal Investigator |
加藤 雄一郎 国立研究開発法人理化学研究所, 開拓研究本部, 主任研究員 (60451788)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
SHARMA ALKA 国立研究開発法人理化学研究所, 開拓研究本部, 外国人特別研究員
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| Project Period (FY) |
2018-11-09 – 2021-03-31
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| Keywords | ナノチューブ・グラフェン / 光物性 / ナノ構造物性 / ナノ物性制御 / ナノマイクロ物理 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
2019年度は、昨年度より引き続き、光伝導度分光によりバンドギャップ収縮の物理を明らかにするため、単一の架橋カーボンナノチューブを組み込んだ電界効果トランジスタ構造の試作と評価に取り組んだ。また、光伝導度分光測定に着手した。
デバイス試作では昨年度と同様にクリーンルームにおける半導体微細加工により電界効果トランジスタ構造を作製した。今年度は、測定時の歩留まり向上をねらって、電極形状や触媒パターンを数種類ほど組み合わせたデバイスを試作して評価した。
試作したチップに対し、まずフォトルミネッセンス顕微分光測定を実施し、合成されたカーボンナノチューブのカイラリティや位置を特定することで、配線すべきデバイスを選定した。自動三次元ステージを利用して試料を走査し、単層カーボンナノチューブの発光を検出することでその位置を確認した。波長可変チタンサファイアレーザーを用いて励起分光を行い、吸収共鳴波長と発光波長の組み合わせからカイラリティを同定した。カーボンナノチューブが組み込めていることが期待できるデバイスについて、ワイヤーボンディングによりチップキャリアへ配線した。
配線したデバイスのうち特性の良いデバイスを選び、フォトルミネッセンス励起分光と光伝導度分光の同時測定に取り組み、カーボンナノチューブにおけるバンドギャップ収縮に対する分子吸着の影響について調査を進めた。加熱により分子脱離状態を作り、大気暴露により分子を吸着させ、光伝導度スペクトルおよびフォトルミネッセンス励起分光スペクトルを比較し、いずれのスペクトルでも励起子準位のエネルギーが変化することを確認した。同様の実験を複数のカイラリティのカーボンナノチューブで繰り返し、データの収集を進めた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
4: Progress in research has been delayed.
Reason
本研究では単一の架橋カーボンナノチューブを組み込んだ電界効果トランジスタ構造の光伝導度分光測定により、バンドギャップ収縮の物理を明らかにすることを目的としている。
今年度は、光伝導度分光測定によりカーボンナノチューブの連続端エネルギー位置を計測し、空気分子吸着時と脱離時で比較する予定であった。しかし、8月下旬頃、フォトルミネッセンス励起分光測定において通信波長帯のスペクトルを取得するために必要な液体窒素冷却型InGaAsフォトダイオードアレイが故障し、2ヶ月強にわたって測定が実施できない期間が発生した。不運なことに、9月には波長可変チタンサファイアレーザーの励起レーザーが不調になり、故障した部品が製造中止であり修理不可能であったため、新しく励起レーザーを調達することとなった。納品されたのは2月末であり、それまではダイオードレーザーによりフォトルミネッセンス測定は可能であったが、光伝導度分光および励起分光が実施できない状況であった。
以上のように、想定していなかった機器の故障が相次いだため、研究進捗は遅れている。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後も引き続き単一の架橋カーボンナノチューブを組み込んだ電界効果トランジスタ構造を利用した光伝導度分光測定に取り組み、光伝導度分光によりバンドギャップ収縮の物理を明らかにすることを目指すが、新型コロナウイルスの影響で実験可能な期間が短くなることも考慮し、光伝導度分光測定において重要となる空気分子吸着と脱離現象について、フォトルミネッセンス顕微分光測定による解明を先に進める。
空気分子の吸着と脱離現象では、加熱温度、時間、基板表面状態の影響を調査するほか、カーボンナノチューブの直径や架橋長さ依存性についてフォトルミネッセンス顕微分光測定データを収集する。分子脱離状態を長く保つための条件最適化を進め、光伝導度分光でのデータ収集効率化をねらう。また、分子脱離状態での励起子エネルギーを系統的に調査し、各カイラリティにおけるエネルギーを網羅的に測定し、光伝導度分光に向けた基礎データを整理し、可能であれば論文としてまとめる。
光伝導度分光測定では、主たる目的であるカーボンナノチューブにおけるバンドギャップ収縮について、分子吸着の影響を実験的に調査する。加熱により分子脱離状態を作り、分子吸着後の状態と光伝導度スペクトルを比較する。連続端が光伝導度で検出できるカイラリティのナノチューブに対して、分子吸着時と脱離時の連続端のエネルギー位置を測定することで、分子吸着によるバンドギャップ収縮の変化を直接的に計測する。複数のカイラリティにおいて測定を繰り返すことで再現性を確認し、また、理論モデルによる説明を試みる。順調に進んだ場合は、光励起キャリアまたはゲート誘起キャリアによるバンドギャップ収縮の評価実験に着手する。
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