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えりかなつ
5 years ago
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1 グラフェンデバイスの電子状態のナノ分析吹留博一 1) 永村直佳 ), 3) 篠原稔宏 ) 井出隆之 1) 黒角翔大 ) 豊田智史 ),3) 堀場弘司 ),3) 長汐晃輔 ) 末光真希 1) 鳥海明 ) 尾嶋正治 ),3) 1) 東北大学電気通信研究所 ) 東京大学大学院工学研究科, 3) 東京大学放射光連携機構 ( 今回の発表内容は 011A/B 期 S 課題 ( 堀場 ) の一部 011B 期 G 課題 ( 吹留 ) のビームタイムを用いて得られた結果である尚発表内容の一部は永村さんを中心にまとめられているところである.)

2 発表内容序論なぜ 3D NanoESCA でグラフェンを観察するのか? 0. グラフェンの特徴と課題 1. これまでの研究. 残された課題 3. なぜ 3D NanoESCA? 4. 目的結果と考察 3D NanoESCA でグラフェンは観察出来るのか? 0. 用いた ( 標準 ) 試料 1.3D NanoESCAでグラフェンが見えるのか?. グラフェン / 金属界面 3. グラフェン / 基板界面まとめ今後の展望

3 序論何故グラフェンを 3D NanoESCA で観察するのか?? Silicon

4 (0) グラフェンの特徴と課題 Dirac 電子系に属し新奇優れた多様な物性を有する熱的化学的安定性に優れる ( 素子 ) 応用に適した材料 E F 変調 ( ゲート電圧印加 ) により物性が変化するという特徴グラフェン物性の多彩さは素子応用の際の弱点にもなり得る ( シンプルな原理物性に基づいたからこそ Si-LSI は成功した ) デバイス応用に適した基板 (ex. Si) 上にグラフェンを成長させかつ用途に応じて物性を制御することが重要となる

Si Graphene. 界面制御によるグラフェン構造物性制御 (Fukidome et al.

回転 15 乱層度 Graphene/ SiC(111)/Si(110) ring 3.

5 1.Si 基板上へのグラフェン成長 (Miyamoto et al., ejssnt (009)) Si (1) 自身のこれまでの研究 3C-SiC Si 3C-SiC Si Graphene. 界面制御によるグラフェン構造物性制御 (Fukidome et al., J. Mater. Chem. & APEX (011)) 積層構造バンド構造 Graphene/ SiC(111)/Si(111) Graphene/ SiC(100)/Si(100) Bernal 回転 15 乱層度 Graphene/ SiC(111)/Si(110) ring 3. トランジスタ試作? 両極性動作の確認 (n にも p にも ) T. Suemitsu et al., ECS Trans (011). 最終目標超高速トランジスタ ( カットオフ周波数 1 100nm ゲート ) THz レーザ

6 () 残された課題課題 1 擬スピン? 運動量擬スピン I = I K +I K 擬スピン Aにおける量子力学的振幅 0 kx ik H k vf kx ik y 0 Bにおける量子力学的振幅 y k E k k k k K K K K K K ~Young s Double Slit これまでの研究 :Si 基板上へのグラフェン成長と多機能化課題動作下でのグラフェンの電子状態? グラフェン / 金属界面の効果 Nagashio et al., JJAP/STAP (011) 電荷移動領域アクセス領域 (S/D-ゲート間) の効果ゲート変調効いてる? S ゲート D 絶縁物 Gra. 最終目標 : グラフェン THz デバイス

7 (3) 何故 NanoESCA? PEEM LEEM 3D NanoESCA 原理光電子の一括投影型イメージング (17SU) 回折電子によるイメージング (17SU) 光電子の走査型イメージング (07LSU) 分解能 nm ~ nm 70 nm 三次元的高分解能な長所分子軌道識別可能 ( 顕微 X 線吸収分光 ) 高い空間分解能デジタル層数計測内殻電子状態測定 ( 内殻光電子分光 ) 試料周りをいじり易い電圧印加が容易短所高エネルギー分解能な内殻光電子分光は苦手直接的な電子状態観察は現状では顕微 X 線吸収分光は難しいこれらを相補的に活用しつつ 3D NanoESCA 電圧印加下のグラフェンデバイスの 3D 内殻電子状態を観察

8 (4) 研究目的 (011 期 ) グラフェン ( デバイス ) の界面ナノ電子状態の分析の 3D NanoESCAによる研究の実行可能性の検証 ( グラフェンが3D NanoESCAで本当に見えるのか?) 具体的な分析対象グラフェン- 金属 ( 電極 ) 界面 ( 横 ) グラフェン- 基板界面 ( 縦 ) 金属金属基板縦 / 横方向の界面電子状態を解明

9 結果と考察 3D NanoESCA でグラフェンは観察出来たのか?

電圧印加が可能な仕様但し今回は印加無し ) エピタキシャルグラフェン /SiC バルク基板 1) ~1700 K で水素エッチング表面平坦化 )

10 0. 用いた標準資料 : 素子応用エピ成長用へき開グラフェン /SiO /Si + 金属電極付き 1) キッシュグラファイトからへき開したグラフェンを SiO /Si へ転写 ) Ni or Au/Ti を蒸着ソースドレイン電極 (( バック ) ゲート電極は Si 基板 ) ( 電圧印加が可能な仕様但し今回は印加無し ) エピタキシャルグラフェン /SiC バルク基板 1) ~1700 K で水素エッチング表面平坦化 ) ~1900 K Ar 雰囲気下で処理 Si 原子が表面から昇華グラフェン化デバイス標準試料エピ成長標準試料 GOS は発展途上デバイス用エピ用の二種類の標準試料を準備

11 (1) グラフェン見える?: A. デバイス構成部位の識別金属 Gra. 金属 SiO on Si Ni C1s Sip 一層グラフェン D 元素マッピング C グラフェン Si(O ) Ni or Au ( 金属電極 ) Au4f (10x10 mm ) Sip C1s (N. Nagamura et al., in preparation.) Sip C1s Ni 三層グラフェン光学顕微鏡像 ( 一層 + 多層 ) グラフェンチャネル (C) 絶縁物 (SiO ) 電極 (Ni/Au) の識別!

) Graphene C1s contamination Binding energy (ev) 7 6 5 4 3 θ ピンポイント (Z) 解析

12 Intensity ratio (1) グラフェン見える?:B. グラフェンとコンタミの識別 (N. Nagamura et al., in preparation.) Graphene C1s contamination Binding energy (ev) θ ピンポイント (Z) 解析 graphene/sip 1 graphene/o1s 0 graphene/con Detection angle (degrees) バルク表面コンタミ Gra. SiO グラフェンとコンタミの識別可能グラフェンが NanoESCA で見える!

PRB (009) E.J.H. Lee et al., Nature Nanotech.

13 () グラフェン / 金属界面の研究 : 先行研究 Macro. I-V characteristic Scanning Photocurrent Microscopy 本当にグラフェンの情報か? Nagashio et al., JJAP/STAP(011) T. Mueller et al. PRB (009) E.J.H. Lee et al., Nature Nanotech. (008) 内殻電子状態の直接観察可能な顕微分光研究は無い電荷移動領域の直接的な証拠は得られていない NanoESCA でやるべき第一のターゲット

14 () グラフェン / 金属界面 :B. 電荷移動領域の実証 (10x10 mm ) (N. Nagamura et al., in preparation.) Ni グラフェン一層グラフェン Ni 電荷移動 (p 型 ) 領域の存在を確認!

() グラフェン / 金属界面 :C. 疑問点 Screening?.45 3.9 1 ) (.) ( 1 0 SiO vac 0 = 1 ( 真空 ) として良いのか?

15 () グラフェン / 金属界面 :C. 疑問点 Screening? ) (.) ( 1 0 SiO vac 0 = 1 ( 真空 ) として良いのか? Thomas Fermi equation for electrostatic potential; s s s B l x l x l x V x V 1 ) ( 4 1/ 1 1/ 1 The variational solution is; ) ( ) ( ), ( 0 H z x e z x V (σ(x): charge density) Comparison with our experiment ] [.08 0 nm V V l B B s グラフェン中の遮蔽は今後の重要検討課題となる?! Distance (nm) (Khomyakov et al., PRB 8, (010).) m F metal * (bulk graphite)=.4 (T. Ando, JPSJ (006)) l s ~ 8, κ ~ 0

16 Binding energy (ev) Intensity [arb. unit] Intensity [arb. unit] (3): グラフェン基板相互作用 :Gra./SiC Graphene Graphene buffer SiC buffer SiC Binding Energy [ev] 二層 80 一層 Binding Energy [ev] 80 bilayer monolayer? buffer 層二層 SiC 一層二層の界面に電位勾配が存在することを示唆している? Distance (mm) C1s Linescan

17 まとめグラフェンと 3D NanoESCA のマッチングデバイスの各構成部位の識別及びグラフェンと炭素汚染物の識別に成功グラフェンデバイス研究に於ける 3D NanoESCA の有用性が示されたグラフェン/ 金属界面グラフェン / 金属間に電荷移動領域 ( ドーピング領域 ) が形成されていることを 3D NanoESCAにより実証したグラフェン / 基板界面グラフェン /SiC:( 縦方向の ) グラフェン /SiC 界面電荷移動量が層数により変化 ( 横方向の ) 一層二層界面に電位勾配が生じている?

18 今後の展望 :01~013 期 1 3D NanoESCA にゲートドレイン電圧印加機能を賦与長汐さん提唱の動作機構の検証 ( へき開グラフェンデバイス ) Nagashio et al., JJAP/STAP (011) グラフェンデバイスのアクセス領域 S ゲート D ( ソースゲート間 ) でのフェルミ準位変調絶縁物 Graphene 3 三次元多機能化されたグラフェンの観察 (100) Si

詳細な説明 < 背景 > 日本において急速に進む少子高齢化に関わる諸問題の解決のために超スマート社会の実現が希求されていますそのため超スマート社会の技術インフラとして超高感度センサーや超高速デバイスなどの開発に加えてそれらのデバイス同士やそれらのデバイスと人をつなぐ超高速情報通信技術の研

詳細な説明 < 背景 > 日本において急速に進む少子高齢化に関わる諸問題の解決のために超スマート社会の実現が希求されていますそのため超スマート社会の技術インフラとして超高感度センサーや超高速デバイスなどの開発に加えてそれらのデバイス同士やそれらのデバイスと人をつなぐ超高速情報通信技術の研平成 30 年 9 月 5 日報道機関各位東北大学電気通信研究所住友電気工業株式会社東京大学放射光分野融合国際卓越拠点物質材料研究機構高エネルギー加速器研究機構東京理科大学 GaN 無線通信用高速トランジスタの表面電子捕獲のナノスケールその場分析 ~ 超スマート社会を支える次世代無線通信デバイスの出力を向上 ~ 発表のポイント社会的弱者を含めたあらゆる人々が快適に暮らすことができる超スマート社会にとって