小野輝男 化学研究所教授は、小林研介 大阪大学理学研究科教授、松尾貞茂 東京大学工学系研究科助教、塚越一仁 物質?材料研究機構国際ナノアーキテクトニクス研究拠点主任研究者らの研究グループとの共同研究により、金属と半導体の両方の性質を持つグラフェン中に形成された pn 接合での量子ホール状态における电流ゆらぎを精密に研究し、 pn 接合によって电子が接合の左右に分配される様子（电子分配过程：図左上を参照）を、电流ゆらぎとして初めて観测することに成功しました。また、 pn 接合がない际には、异なる量子ホール状态の接合があった场合でも电子が分配されないことも同时に明らかになりました。
本研究成果は、2015年9月4日（英国時間）に「Nature Communications」のオンライン版に発表されました。
研究者からのコメント
本研究は、量子ホール状态にあるグラフェンにおいて pn 接合が电子分配机构を持つことを初めて直接的に実証しました。この结果は、ギャップのないグラフェンでは実现困难な量子ポイントコンタクトに代わる电子分配机构として pn 接合が利用可能であることを示しており、グラフェンを用いた电子干渉デバイス等の実现につながることが期待されます。また、高移动度のグラフェンでは pn 接合でのキャリアの振る舞いがスピン自由度やバレー自由度に依存することが报告されており、これらの特性の解明と制御へと発展していくことが期待されます。
本研究成果のポイント
- 金属と半导体の性质を持つグラフェンに形成される pn 接合において、电流ゆらぎ（ショット雑音）を精密に调査
- 量子ホール状态にある pn 接合において、グラフェンに特有の电子分配过程を初観测
- グラフェンを用いた电子干渉デバイス等の実现につながることに期待
概要
pn 接合とは、半導体において極性の異なる2種類のキャリア（電子と正孔）からなる領域の間で形成される接合のことであり、ダイオードをはじめとするさまざまな電子デバイスで利用されています。2004年の報告以降、新規半導体材料として期待されているグラフェンは、特異な電子構造に起因する豊富な電子物性とその応用の可能性のため、非常に注目を集めている物質です。これまでの伝導度測定の結果、量子ホール状态にあるグラフェン pn 接合では、量子ホール状态が完全に混じりあう结果、接合の両侧への电子の分配过程の存在が推察されていました。しかし、この电子分配过程を直接的に実証した报告はありませんでした。
そこで本研究チームは、グラフェン pn 接合における电子の分配の様子の直接観察とその机构の解明のため、电流ゆらぎ（ショット雑音）测定を行いました。さらに本研究では、ゲート电极を组み合わせることにより pn 接合を形成可能なグラフェン试料を作製し、低温强磁场下において高精度な电流ゆらぎ测定を行いました。その结果、図に示すように、量子ホール状态で pn 接合のある场合にはショット雑音が発生するのに対し、 pn 接合のない場合にはショット雑音が発生しないことを明らかにしました。また、観測されたショット雑音の大きさが、理論予想とほぼ一致することも実証しました。これらの結果は、量子ホール状态にある pn 接合が电子を分配するということを世界で初めて直接的に示した成果であり、グラフェン pn 接合で起こる电子分配の微视的特性を初めて定量的に确立した成果です。
図： ショット雑音の測定結果。 pn 接合のある场合（赤いデータ）は电子分配过程があるためショット雑音が生じるが、 pn 接合のない场合（紫のデータ）ではショット雑音が生じない。
详しい研究内容について
书誌情报
[DOI]
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Sadashige Matsuo, Shunpei Takeshita, Takahiro Tanaka, Shu Nakaharai, Kazuhito Tsukagoshi, Takahiro Moriyama, Teruo Ono & Kensuke Kobayashi
"Edge mixing dynamics in graphene p–n junctions in the quantum Hall regime"
Nature Communications 6, Article number: 8066, Published: 04 September 2015
