フッ化グラフェンの電子物性と低消費電力デバイスへの応用

本研究の目的は、フッ化グラフェン中の電子スピン物性を明らかにし、スピントロニクスへ応用することである。黒鉛の単原子層であるグラフェンは、長いスピン拡散長を持つためスピン輸送チャネルとしての性能が期待できるが、グラフェンのみでは電子スピン偏極の生成は困難である。不純物でのresonant skew scatteringによるスピンホール効果を用いれば、グラフェンのみを用いてスピン流を生成・輸送・制御するスピントロニクスデバイスを実現できる可能性がある。初年度にはフッ化グラフェンのスピンホール効果の検証実験を行った。非局所抵抗の測定からスピンホール効果の可能性を示唆するデータが得られたが、確実にこれを示すためには、より強力な証拠を得る必要があることがわかった。そのため、ダイヤモンド中の窒素-空孔中心（NVセンタ）を用いた磁気センサの研究に着手した。スピンホール効果によるスピン蓄積が作る磁場を、光学顕微鏡スケールの分解能で検出し、より強力な証拠を提示することを目的とした。これが実現すれば、今まで光や電荷により間接的に検出されてきたスピン蓄積という現象を、磁場により直接検出することになり、スピントロニクスの分野全体に貢献できる。本年度は、昨年度までに構築したNVセンタの測定システムを用い、表面近傍の核スピン検出の実証実験を行った。NVセンタをダイヤモンド基板の表面付近に、高密度・高配向かつ長いスピン緩和時間を保った状態で作製し、それを用いて核スピンのLarmor歳差運動による局所的磁気ノイズを計測した。実際に異なる静磁場下において、ダイヤモンド基板表面のオイル中の水素原子核を検出した。これにより、ダイヤモンド表面における微小磁場が検出可能であることを実証した。この結果を発展させることで、将来的に当初の目的であったスピンホール効果によるスピン蓄積の検出につなげられると期待できる。

本研究の目的は、フッ化グラフェン中の電子スピン物性を明らかにし、スピントロニクスへ応用することである。黒鉛の単原子層であるグラフェンは、長いスピン拡散長を持つためスピン輸送チャネルとしての性能が期待できるが、グラフェンのみでは電子スピン偏極の生成は困難である。不純物でのresonant skew scatteringによるスピンホール効果を用いれば、グラフェンのみを用いてスピン流を生成・輸送・制御するスピントロニクスデバイスを実現できる可能性がある。初年度にはフッ化グラフェンのスピンホール効果の検証実験を行った。非局所抵抗の測定からスピンホール効果の可能性を示唆するデータが得られたが、確実にこれを示すためには、より強力な証拠を得る必要があることがわかった。そのため、ダイヤモンド中の窒素-空孔中心（NVセンタ）を用いた磁気センサの研究に着手した。スピンホール効果によるスピン蓄積が作る磁場を、光学顕微鏡スケールの分解能で検出し、より強力な証拠を提示することを目的とした。これが実現すれば、今まで光や電荷により間接的に検出されてきたスピン蓄積という現象を、磁場により直接検出することになり、スピントロニクスの分野全体に貢献できる。本年度は、昨年度までに構築したNVセンタの測定システムを用い、表面近傍の核スピン検出の実証実験を行った。NVセンタをダイヤモンド基板の表面付近に、高密度・高配向かつ長いスピン緩和時間を保った状態で作製し、それを用いて核スピンのLarmor歳差運動による局所的磁気ノイズを計測した。実際に異なる静磁場下において、ダイヤモンド基板表面のオイル中の水素原子核を検出した。これにより、ダイヤモンド表面における微小磁場が検出可能であることを実証した。この結果を発展させることで、将来的に当初の目的であったスピンホール効果によるスピン蓄積の検出につなげられると期待できる。