モアレ超格子によるスピン・バレー利用型量子素子の開発と物性制御

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本研究課題は、スピンおよびバレー自由度を利用する新奇原理で動作する素子の開発を目的とする。これを実現するために、二層グラフェン/六方晶窒化ホウ素（hBN）モアレ超格子を基礎とした、量子ドット複合構造デバイスの設計・作製に取り組んでいる。2022年度は二層グラフェン/hBNモアレ超格子を基礎とするデュアルゲート型デバイスの作製プロセスの最適化および作製したデバイスの低温電子輸送測定を行った。電子輸送測定では、デュアルゲートにより二層グラフェンのキャリア密度と垂直電場を独立に制御し、二層グラフェン/hBNモアレ超格子の電荷中性点におけるエネルギーギャップの制御に成功した。これにより、モアレ超格子とゲート定義型微細構造を組み合わせたデバイスの設計指針を得た。ゲート定義型量子ドットデバイスを作製するためのプロセス最適化を進めている。トップゲート-チャネル（エッジ）間の絶縁膜を作製するために、原子層堆積法によるAl2O3を検討し、作製プロセスを確立した。また、量子ポイントコンタクト、スプリットゲートとプランジャーゲートを組み合わせた多重量子ドット構造デバイスを試作した。二層グラフェン/hBNモアレ超格子デバイスにおいて、垂直磁場、電場を調整することで、量子ホール絶縁状態の相転移を観測することにも成功した。今回は電荷中性点を中心に輸送特性を調べたが、サテライト点やvan Hove特異点周辺のエネルギー領域の垂直磁場、電場、温度依存性等の輸送特性評価も進めている。