Creation of high-performance THz light source implemented with 2D material heterostructure

利用二维材料异质结构创建高性能太赫兹光源

• 批准号: 22KF0430
• 负责人: 尾辻 泰一
• 金额: $ 1.47万
• 依托单位: Tohoku University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2023
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2023-03-08 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22KF0430/
• 关键词: 二次元材料; グラフェン; ヘテロ積層; テラヘルツ; 光源

本研究は、二次元半金属であるGrapheneと二次元半導体（MoS2, BPなど）のヘテロ積層構造によってチャネルを構成した負性微分導電率特性を有する電界効果型トランジスタ構造の新原理デバイスを創出し、テラヘルツ光源としての実現性を実証することを目的とし、電化キャリアである二次元電子を二次元半金属層－二次元半導体層間の実空間遷移をゲートおよびドレインバイアスによって電気的に制御することによって、テラヘルツ帯での自励発振を発現せしめ、コヒーレントかつ高強度の室温動作可能な集積型テラヘルツ光源の創出に挑み、以下の成果を得た。１．二次元原子薄膜の剥離・転写：機械剥離と液相インターカレーションを用いて、層状化合物（Bulk-MoS2, Graphite）を剥離し、光学顕微鏡で数層のサンプルを選別し、Wielding法およびDry Peeling法を用いて、重ドープ酸化膜付シリコンウェハー表面に、二次元原子薄膜半導体・半金属を積層した。２．電極とデバイスの制作：フォトリソグラフィと電子ビーム（EB）蒸着装置によりソース・ドレイン電極を、EBにより局所的バックゲート電極を、それぞれ形成した。３．電気特性と光学特性の評価：負性微分導電率の発現するバイアス条件を同定した。４．当初計画した実空間遷移型負性微分導電率発現機構の代替手段となる全く新しいグラフェンディラックプラズモンのクーロンドラッグ効果型負性微分導電率発現機構の発案に協働し、デバイスモデリング・数値解析で材料・構造パラメータに対するテラヘルツ発振応答特性の定量的解明で成果を得た。次年度は、フーリエ変換赤外分光計とシリコンボロメーターを用いてテラヘルツ波発振特性・量子効率の検証、ならびにテラヘルツ分光イメージングへの応用に挑戦する。

本研究重点关注二维半金属石墨烯和二维半导体（MoS2、目的是创建一种具有负微分导电特性的场效应晶体管结构的新原理器件，其中沟道由BP等异质叠层结构形成，并证明其作为太赫兹光的可行性某个二维电子变成二维半金属。我们采用栅极和漏极偏置来电控制二维半导体层之间的实空间过渡，以产生太赫兹波段的自振荡，从而创建可在室温下工作的相干、高强度集成太赫兹光源。挑战并获得以下结果。 1.二维原子薄膜的剥离和转移：利用机械剥离和液相插层，将层状化合物（Bulk-MoS2、Graphite）剥离，使用光学显微镜选取几层样品，并采用Wielding方法和干法剥离使用这种方法，二维原子薄膜半导体和准金属沉积在重掺杂硅晶片的表面上。 2.电极和器件的制造：使用光刻和电子束(EB)蒸发设备形成源极和漏极，并且使用EB形成局部背栅电极。 3.电学和光学特性的评估：我们确定了发生负微分电导率的偏置条件。 4.我们合作提出了一种全新的石墨烯-狄拉克等离激元库仑拖曳效应型负微分电导率表达机制的想法，它是原计划的实空间过渡型负微分电导率表达机制的替代方案，并通过器件建模开发了材料和数值分析。・定量阐明了太赫兹振荡响应特性对结构参数的影响。明年，我们将使用傅里叶变换红外光谱仪和硅测辐射热计来验证太赫兹波振荡特性和量子效率，并将其应用于太赫兹光谱成像。

项目成果

A distributed model of the asymmetric-gated graphene Coulomb-drag-effect transistor for terahertz applications

用于太赫兹应用的非对称门控石墨烯库仑拖曳效应晶体管的分布式模型

• 发表时间: 2022
• 作者: C. Tang; K. Tamura; A. Satou; V. Ryzhii;T. Otsuji
• 通讯作者: T. Otsuji

Hot-electron resonant terahertz bolometric detection in the graphene/black-AsP field-effect transistors with a floating gate

具有浮栅的石墨烯/黑 AsP 场效应晶体管中的热电子谐振太赫兹辐射热检测

• DOI: 10.1063/5.0150711
• 发表时间: 2023-03-15
• 期刊: Journal of Applied Physics
• 影响因子: 3.2
• 作者: V. Ryzhii;C. Tang;T. Otsuji;M. Ryzhii;V. Mitin;M. Shur
• 通讯作者: M. Shur

レンセラー工科大学/ニューヨーク州立大学バッファロー校(米国)

伦斯勒理工学院/纽约州立大学布法罗分校（美国）

ラマン分光法の裏面適用によるプロセス中のグラフェン膜質評価

通过背面拉曼光谱评估加工过程中的石墨烯薄膜质量

• 发表时间: 2023
• 作者: 関宏信;田村紘一; 唐超;吹留博一;佐藤昭;尾辻泰一
• 通讯作者: 尾辻泰一

Fast and sensitive terahertz detection in a current-driven epitaxial-graphene asymmetric dual-grating-gate FET structure (Featured article)

电流驱动外延石墨烯不对称双光栅栅 FET 结构中快速、灵敏的太赫兹检测（专题文章）

• DOI: 10.1063/5.0122305
• 发表时间: 2022
• 作者: K. Tamura; C. Tang; D. Ogiura; K. Suwa; H. Fukidome; Y. Takida; H. Minamide; T. Suemitsu; T. Otsuji;A. Satou
• 通讯作者: A. Satou