プレスリリース

2015.11.17

電気的に制御したグラフェンでバレー流の生成、検出に初めて成功 ~結晶中の電子のバレー自由度を利用した低消費電力エレクトロニクスの実現へ~:物理工学専攻 樽茶清悟 教授、山本倫久 講師、博士課程 島崎佑也

電子には粒子としての性質と同時に波としての性質があります。一般に電子の波は様々な波長や方向を持ちます。一方、電子の波は一部の固体結晶中では、いくつかの特定の波長や方向が安定な状態となります。そして、電子はこの特定の波長や方向により区別されます。このように電子を区別することのできる結晶の性質をバレーと呼びます。電子は負の電荷を持つため、電子が一方向に流れると電流が発生します。したがって、もし異なるバレーの電子が互いに逆向きに流れる(バレー流)状況を作り互いの電流を相殺し、これを検出できれば、正味の電流をゼロに保ったまま、バレー流による情報伝達が可能です。この情報伝達はエネルギー消費を伴わないものとなるため、バレー流を用いた低消費電力エレクトロニクスの実現が期待されています。
黒鉛単層のグラフェンは2つのバレーを持ち、バレー流を用いた低消費電力エレクトロニクスの材料に適しています。これまで、グラフェンの性質が接触基板に影響されることを利用して電流をバレー流に、また逆にバレー流を電流に変換できることがわかっていました。しかし、このような系での双方の変換効率は電子密度のみを通じて制御されるため、その制御性には限界がありました。そこで変換効率を広範囲に電気的に制御できるグラフェンのデバイスが求められていました。
今回、東京大学大学院工学系研究科の島崎佑也大学院生、山本倫久講師、樽茶清悟教授らの研究グループは、電気的に制御することのできる二層グラフェンにおいて、バレー流の生成、検出に初めて成功しました。研究グループは電流をバレー流に変換し、電流の漏れ出しを無視できる程度の距離を伝送させた後、バレー流を電流に変換して、これに伴う電圧を検出しました。
二層グラフェンを用いれば従来の単層グラフェンからなるデバイスとは異なり、電流からバレー流への変換効率の大きさを電気的により広範囲に制御できることから、電流とバレー流の変換が原理的には室温でも可能となります。またバレー流を生成する際に流れる電流によるエネルギー消費についても、変換効率の向上により大幅に改善可能と考えられることから、二層グラフェンを用いることでバレー流を用いた低消費電力エレクトロニクスの実現が期待されます。
変換効率はデバイスの特性を決める電子密度とエネルギーギャップ(注3)の双方に影響される。今回の研究では電子密度に加えてエネルギーギャップを電気的に制御することで、変換効率をより大きい範囲にわたって変えられるようにした。エネルギーギャップを大きくすることで室温動作も期待できる。

 

 

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Abstract URL:http://www.nature.com/nphys/journal/vaop/ncurrent/full/nphys3551.html