田邉真一1 関根佳明2 影島博之2 永瀬雅夫3 日比野浩樹1
1機能物質科学研究部 2 量子電子物性研究部 3 徳島大学
単層グラフェンはその特徴的な電子構造から、高移動度を有する電子材料として注目されている。その物性はグラファイトから剥離した単層グラフェンにおいて精力的に調べられているが、得られる単層グラフェンの大きさが小さいため、大面積かつ高品質なグラフェン成長法の確立が求められている。近年、Ar雰囲気中でSiC(0001)を熱分解することで、SiC基板上に広い面積で単層グラフェンがエピタキシャル成長できることが報告されており[1]、
これまでにSiC上単層グラフェンを用いたトップゲート型のホール素子において、両極性と量子ホール効果を2 Kにおいて観測するなど成長した単層グラフェンが低温で良好な伝導特性を有することを確認している[2]。今回は単層グラフェンデバイスの室温動作に向けて、伝導特性の温度依存性を様々なキャリア濃度で調べた。
図1に2〜200 Kにおける4端子抵抗のゲート電圧(VG) 依存性を示す。図中の矢印のように、電荷中性点にあたるゲート電圧(VCNP) 近傍では温度が上昇するにつれて抵抗が減少するのに対し、電荷中性点から離れたゲート電圧（例えばVG - VCNP = 30 V）では温度上昇と共に抵抗が増大する。このように2種類の抵抗の温度変化があることが分かった。電荷中性点付近ではキャリア濃度が少ないため、温度上昇と共に生じる熱励起されたキャリアが伝導に寄与することで抵抗が減少していると考えられる。一方、電荷中性点から離れたゲート電圧領域での抵抗増大は、図2に示すような温度上昇に伴う移動度低下が原因と推定される。図2の単層エピタキシャルグラフェン移動度の温度依存性を、温度依存しない散乱(A)、グラフェンの音響フォノンによる散乱(B)、グラフェン外部のフォノンによる散乱(C)を考慮して解析した結果、高温領域では基板に由来すると考えられる外部のフォノンからの散乱が強く効いていることが分かった[3]。以上のことから、基板との相互作用を制御しフォノン散乱を抑えれば、温度による移動度低下を軽減できると期待される。
本研究は科研費の援助を受けて行われた。
[1] K. Emstev et al., Nature Mater. 8 (2009) 203.
[2] S. Tanabe et al., Appl. Phys. Express 3 (2010) 075102.
[3] S. Tanabe et al., Phys. Rev. B 84 (2011) 115458.
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