HOME > 主な研究成果

　本研究室では、ナノ構造に現れる新規な量子物性を探索し、それを機能とみなし将来のナノエレクトロニクスに資するナノデバイスへ応用する研究を行っています。ナノデバイスは、従来のトランジスタとは全く動作原理を異にし、それが抱える微細化による消費電力の増大という大きな問題を解決する糸口となるだけではなく、電子、スピン、光などの量子状態を操作することにより、全く違った機能や動作をするものと思われます。具体的には、電子を1個ずつ操作する単電子デバイス、量子ドット中の電子やスピンの量子状態、超伝導ジョセフソン接合をコヒーレントに制御する量子コンピューテングデバイス、量子ドットの非線形性を利用したテラヘルツ量子応答デバイスなどを目指しています。これらのデバイスを利用した、近接場テラヘルツイメージング技術の研究も行っています。　

　量子効果はデバイスサイズが小さくなればなるほど顕著になることから、従来の半導体リソグラフィー技術（トップダウン技術）では実現が困難なサイズが自己組織化的に形成されるカーボンナノチューブや半導体ナノワイア（ボトムアップ技術）を主たるBuilding Blockとし、それらを融合した技術でナノデバイスを作製します。扱う物理現象により、ナノデバイスの測定は、室温から希釈冷凍機を用いたmK領域までの広い範囲で行います。本研究室ではデバイスの作製から測定まで一貫して行います。以下に、最近の研究成果について簡単に紹介します。

• 0. はじめに　- 量子ドット・単電子トランジスタ・人工原子 -
• 1. カーボンナノチューブ人工原子
• 2. カーボンナノチューブのテラヘルツ波応答
• 3. カーボンナノチューブ単電子デバイス
• 4. カーボンナノチューブ単電子デバイスの集積化を目指して
• 5．カーボンナノチューブ・分子ヘテロ接合の形成と分子スケール構造
• 6．カーボンナノチューブを用いたバイオセンサ
• 7．SiやGeナノワイアを用いた量子ナノデバイスの開発
• 8．超伝導電極を持つカーボンナノチューブやInAsナノワイア
• 9．分子定規法によるナノギャップ作製法の開発

　単電子トランジスタは、量子ドットと呼ばれる微小な領域に電子を閉じこめた領域にトンネル障壁を介してソースとドレインの電極がつながった構造をしています。さらに量子ドットの電位を変えることができるように、コンデンサを介してゲート電圧を印可できるようになっています。(Fig. 0-1(a))。したがって、単電子トランジスタはソースドレイン電極とゲート電極を持った３端子素子ということができます。その動作はクーロンダイアモンド (Fig. 0-1(b))とクーロン振動で表されます(Fig. 0-1(c))。クーロンダイアモンドは単電子トランジスタのコンダクタンスをソースドレイン電圧とゲート電圧の関数としてグレースケールプロットしたもので、周期的な菱形構造が特徴です。すなわち、各菱形の中では電子数は１個単位で正確に固定されており、電流が流れることができません。これがクーロンブロッケード状態です。重要なことは隣り合う菱形では電子数は正確に１個だけ異なることであり、これを利用して量子ドットの電子数を１個単位で制御することができます。ソースドレイン電圧が小さいとき、２つの菱形が接したところで電流が流れます（Fig. 0-2）。これをクーロン振動と呼びます。量子ドットにとって、１電子の帯電エネルギーと閉じこめによる離散化量子準位間隔の２つのエネルギーが重要で、カーボンナノチューブ量子ドットの場合、前者は10meV程度、後者は5meV程度となっており、サブミクロンスケールの半導体量子ドットに比べて１桁程度大きな値をとります。これはまさに、カーボンナノチューブが小さいということに起因しています。
　量子ドットは電子が微小な空間に3次元的に閉じこめられていることから、人工原子とも呼ばれます。人工原子はこれまで半導体量子ドットにおいて活発に研究されてきましたが、いくつかの点でカーボンナノチューブ人工原子は半導体人工原子とは異なった特徴を持っています。人工原子としての性質は、電子を閉じこめているポテンシャルに依存します。また、人工原子のエネルギー準位間隔は、カーボンナノチューブではサブミリ波からテラヘルツ波の領域にあります。この周波数帯は光と電波の中間領域で開発が遅れており、カーボンナノチューブがこの周波数帯での新しいデバイスとして用いられる可能性を秘めています。また、磁場に対する効果がカーボンナノチューブではゼーマン効果だけであることも半導体人工原子に比べて異なる特徴です。このことは、カーボンナノチューブがあまりにも細いので、電子が磁場によるサイクロトロン運動を全くできないことによります。

参考文献
1. 石橋幸治：“量子ドットと単電子デバイス” Computer Today 109, 30 (2002).
2. 石橋幸治，青柳克信：“カーボンナノチューブを用いた量子ナノデバイス‐量子相関デバイスの実現に向けて‐” 応用物理 77, 264 (2008).

　1本のカーボンナノチューブの両端に200nm程度の間隔を離して、電極をつけると電極間のナノチューブが1次元的な量子ドットとなります。この中に閉じこめられた電子は1次元箱型ポテンシャルに閉じこめられた電子系として振る舞い、自然の原子が持つような電子殻構造や電子間の相互作用による最も簡単な 2電子のフント則を見ることができることを示しました。もちろん、磁場をかけると量子準位はゼーマン分裂することも見られます。量子ドットの中の電子数が奇数になると、一番上の電子はペアを組めないので、電子スピンが量子ドット中に発生します。電極とドットの結合が強いときには近藤効果を見ることもできます。このような人工原子をスピン型量子ビットへ応用することを目指しています。

参考文献
1. 石橋幸治，森山悟士，布施智子，河野行雄，豊川聖子，山口智弘：“カーボンナノチューブ人工原子と量子テラヘルツ応答” 真空 51, 445 (2008).
2. S. Moriyama, T. Fuse, M. Suzuki, Y. Aoyagi, and K. Ishibashi, Phys. Rev. Lett. 94, 186806 (2005).

　カーボンナノチューブ量子ドットを人工原子と見た場合、原子として重要なエネルギーである、イオン化エネルギー（量子ドットでは1電子帯電エネルギー）や量子準位間隔は、人工原子の大きさを反映し、サブミリ波からテラヘルツ波の領域にあります。このことは、人工原子とテラヘルツ波が量子的な相互作用をする、すなわち、人工原子がテラヘルツ光子を吸収したり放出したりすることが期待できます（テラヘルツ光アシストトンネル）。われわれは、世界に先駆けてこれを実験的に実証しました。
　また、カーボンナノチューブ量子ドットを使ってユニークなテラヘルツ応答の研究も行っています。たとえば、GaAs/AlGaAs2次元電子ガス上にカーボンナノチューブ単電子トランジスタを作製した試料に、強磁場をかけテラヘルツ波を照射すると、ランダウ準位を形成した2次元電子ガスがテラヘルツ波を吸収し（サイクロトロン共鳴）、電荷分布が変わり、それを、超高感度エレクトロメータであるカーボンナノチューブ単電子トランジスタが、検出するというメカニズムによるテラヘルツ波の超高感度検出原理を実証しました。これらの現象を、重要であるにもかかわらず開発が遅れているテラヘルツ領域での新しいセンシングデバイスへ応用することを目指しています。

参考文献
1. 石橋幸治，河野行雄，布施智子，豊川聖子，山口智弘：“カーボンナノチューブ量子ドットのテラヘルツ波応答” 光学 38, 99 (2009).
2. Y. Kawano, T. Fuse, S. Toyokawa, T. Uchida, and K. Ishibashi, J. Appl. Phys. 103, 034307 (2008).
3. Y. Kawano, T. Uchida, and K. Ishibashi, Appl. Phys. Lett. 95, 083123 (2009).

　単電子デバイスにはロジックとメモリがあります。単電子ロジックの最も簡単なものは、単電子トランジスタを2個相補的に直列接合した単電子インバータです。われわれは、多層カーボンナノチューブにイオンビームを局所的に照射してトンネル接合を作る技術を開発し、これを用いて2個単電子トランジスタを作り、単電子インバータの作製とその動作の確認に成功しました。また、単電子トランジスタの周期的なゲート特性を利用して、単電子XORゲートデバイスの作製にも成功しています。単電子デバイスでは、特に量子効果を用いておらず、それを形成するドットが小さいことだけが重要なので、小さくすればするほど動作温度が上昇します。我々は、単層カーボンナノチューブとイオンビーム照射技術を組み合わせて、液体窒素程度までの単電子トランジスタ動作をさせることに成功しています。また、カーボンナノチューブ2重量子ドットの作製にも成功しており、電荷型量子ビットやテラヘルツ量子検出器への応用を目指しています。

参考文献
1. K. Ishibashi, M. Suzuki, T. Ida and Y. Aoyagi: Appl. Phys. Lett. 79, 1864 (2001).
2. K. Ishibashi, D. Tsuya, M. Suzuki, and Y. Aoyagi, Appl. Phys. Lett. 82, 3307 (2003).
3. D. Tsuya, M. Suzuki, Y. Aoyagi, K. Ishibashi: Appl. Phys. Lett. 87, 153101 (2005).

　上記のカーボンナノチューブデバイス作製技術は、溶液に溶かしたナノチューブを基盤にばらまく方法を利用していました。この方法では、個別デバイスを作り、その動作を実証することには十分ですが、より複雑なデバイスや回路を作ることはできません。そこで、我々はカーボンナノチューブを石英基板上にCVD成長すると、ある方向に並んでカーボンナノチューブが成長することを利用して、この配向成長したナノチューブを機械的に、デバイス作製に有効な別の基板に貼り付ける技術を開発しました。この貼り付け技術によって、ナノチューブにダメージが入らないことを、ラマン散乱のスペクトルの変化や、実際に単電子トランジスタを作ることで実証しました。この技術を応用して、単電子メモリや簡単な単電子回路の実現を目指しています。

参考文献
H. Tabata, M. Shimizu, and K. Ishibashi, Appl. Phys. Lett. 95, 113107 (2009).

　カーボンナノチューブの大きな特徴一つは、その表面を化学的に修飾することができるという点です。特に、両端の部分は欠陥が入りやすく化学修飾しやすいという特徴があります。たとえば、両端にカルボキシル基をつけると、それを元にして様々な分子をつけることができます。このような、化学的な手法を用いて、カーボンナノチューブと分子からなる、超微小なナノ構造の作製も試みています。その評価には、分光測定が可能なオリジナルな走査トンネル顕微鏡を用いています。構造が評価できれば、それに電極をつけて真の分子スケールナノデバイスの創出を目指しています。

　カーボンナノチューブの化学的表面修飾可能性は、新しいバイオセンサへ応用することも可能です。すなわち、電界効果型トランジスタに加工した単層や2層カーボンナノチューブの表面を化学修飾し、それを基点として、様々な生体分子を結合することができます。このようなバイオセンサは、カーボンナノチューブの微少性のために、きわめて感度がいいことが予想されます。電気的測定は液体の中で行うことになるため、なかなか難しいところがありますが、本研究は化学が専門の東京理科大学応用化学科矢嶋研究室と共同で行っています。

　カーボンナノチューブは直径が1nm程度の理想的な超極細1次元材料ですが、最近、触媒を利用したCVD成長で、直径が10nm程度のSiやGeのナノワイアを成長できることが報告されています。上記に掲げたカーボンナノチューブの機能は、その1次元性にあることから、同様の機能はSiやGeナノワイアでも発現することが期待できます。そうすると、Si集積回路との整合性もよく、より広範囲な応用が期待できます。実際、SiやGeナノワイアを用いて単電子トランジスタを作製しその動作を確認することに成功しました。また、カーボンナノチューブで見られた人工原子的な振る舞いの一部も、小さな有効質量を持つGeナノワイアで観測されつつあります。これらの、スピン型量子ビットや電荷型量子ビットへの応用を目指しています。 なお、本研究は物質材料機構の深田直樹博士と共同で行っています。

参考文献
1. S. Y. Huang, N. Fukata, M. Shimizu, T. Yamaguchi, T. Sekiguchi, and K. Ishibashi, Appl. Phys. Lett. 92, 213110 (2008).
2. S. Y. Huang, S. K. Shin, N. Fukata, and K. Ishibashi, J. Appl. Phys. 109, 036101 (2011).

　カーボンナノチューブやInAsナノワイアのような1次元的な材料を挟んだ超伝導体接合（SNS接合）は、正常金属（S）部分が、1次元的で、かつ散乱がないということから、これまでにない新しいSNS系として興味があります。SNS系の超伝導は、古くより超伝導近接効果として理解されてきましたが、最近は、SN界面では電子がホールとして、位相情報を持って、反射されるというアンドレーエフ反射という観点からも注目されています。われわれは、すでに、カーボンナノチューブではゼロ電圧におけるコンダクタンスの増大を観測し、InAsナノワイアでは、超伝導電流を観測することに成功しました。これらの系の基礎的な物性を調べるとともに、アンドレーエフ束縛状態を利用した新しい磁束型量子ビット（アンドレーエフ量子ビット）への展開も目指しています。

参考文献
T. Nishio, T. Kozakai, S. Amaha, M. Larsson, H. Nilsson, H. Q. Xu, G. Q. Zhang, K. Tateno, H. Takayanagi and K. Ishibashi, "Supercurrent through InAs nanowires with highly transparent superconducting contacts", Nanotechnology, 445701 (5pages) (2011), selected as a featured article

　単一分子や超微粒子も量子ドットとしては理想的な材料です。しかし、これらは3次元的にとても小さな材料なので（数nm）、それにぴったり合った金属電極を作製することは用意ではあありません。そこで我々は、Paul Weiss博士の開発した分子定規法をリソグラフィー技術に応用し、電子ビーム露光技術と組み合わせることで、ギャップ間隔を2nm程度で制御したナノギャップの安定した作製技術を開発しました。まずは、手始めに金微粒子をギャップに挟み、単電子トランジスタ特性を観測することに成功しています。

参考文献
T. Nishino, R. Negishi, M. Kawao, T. Nagata, H. Ozawa, and K. Ishibashi, Nanotechnology 21, 225301 (2010).