2024/09/26 更新

写真a

カワノ ユキオ
河野 行雄
KAWANO Yukio
所属
理工学部 教授
その他担当機関
理工学研究科電気電子情報通信工学専攻博士課程前期課程
理工学研究科電気・情報系専攻博士課程後期課程
連絡先
メールによる問い合わせは《こちら》から
外部リンク

学位

  • 博士(学術) ( 東京大学 )

  • 修士(学術) ( 東京大学 )

学歴

  • 2001年3月
     

    東京大学   総合文化研究科   広域科学専攻相関基礎科学系   博士   修了

  • 1998年3月
     

    東京大学   総合文化研究科   広域科学専攻相関基礎科学系   修士   修了

  • 1996年3月
     

    東京大学   教養学部   基礎科学科第一   卒業

  • 1994年3月
     

    東京大学   理科I類   その他

経歴

  • 2006年 - 現在

    : Research Scientist, RIKEN (The Institute of Physical and Chemical Research)

  • 2004年 - 現在

    : JST-PRESTO Researcher

  • 2021年4月 -  

    中央大学理工学部教授

  • 2006年4月 -  

    理化学研究所・研究員

  • 2006年4月 -  

    理化学研究所・研究員   研究員

  • 2006年 -  

    ": Research Scientist, RIKEN (The Institute of Physical and Chemical Research)"

  • 2005年10月 -  

    (2005年10月 科学技術振興機構さきがけ「構造機能と計測分析」研究員兼任)

  • 2001年 - 2005年

    ": Assistant Professor, Department of Physics, The University ofTokyo"

  • 2001年 - 2005年

    : Assistant Professor, Department of Physics, The University ofTokyo

  • 2001年4月 -  

    東京大学   "Graduate School of Science, Department of Physics"

  • 2000年 - 2001年

    : Research Fellow of the Japan Society for the Promotion of Science (DC2)

  • 2000年1月 -  

    日本学術振興会特別研究員(DC2)

  • 2000年1月 -  

    日本学術振興会特別研究員(DC2)

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所属学協会

  • 18th International Conference on Electronic Properties of Two-Dimensional Systems

  • 2010 International Conference on Solid State Devices and Materials

  • IEEE RF Nanotechnology Topical Symposium Steering Committee

  • International Symposium on Frontiers in THz Technology

  • 10th Conference on Lasers and Electro-Optics Pacific Rim and 18th OptoElectronics and Communications Conference

  • Review Committee of 2013 Asia-Pacific Microwave Conference

  • Steering Committee of 9th International Symposium on Atomic Level Characterizations for New Materials and Devices ’13

  • Technical Program Committee of 43rd International Society of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves

  • Workshop Chair of 13th Pacific Rim Conference on Lasers and Electro-Optics

  • Publication Committee of 12th International Symposium on Atomic Level Characterization for New Materials and Devices

  • 2019年春季応用物理学会

  • 応用物理学会

  • 日本物理学会

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研究キーワード

  • 半導体低次元系

  • Quantum Hall effect

  • Terahertz technology

  • Graphen

  • Scanning probe microscope

  • Low-dimensional semiconductor

  • Carbon nanotube

  • テラヘルツテクノロジー

  • 量子ホール効果

  • グラフェン

  • 走査型プローブ顕微鏡

  • カーボンナノチューブ

研究分野

  • ナノテク・材料 / 光工学、光量子科学

  • 自然科学一般 / 半導体、光物性、原子物理

論文

  • Broadband Photodetectors and Imagers in Stretchable Electronics Packaging. 国際誌

    Teppei Araki, Kou Li, Daichi Suzuki, Takaaki Abe, Rei Kawabata, Takafumi Uemura, Shintaro Izumi, Shuichi Tsuruta, Nao Terasaki, Yukio Kawano, Tsuyoshi Sekitani

    Advanced materials (Deerfield Beach, Fla.)   e2304048   2023年7月

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    The integration of flexible electronics with optics can help realize a powerful tool that facilitates the creation of a smart society wherein internal evaluations can be easily performed nondestructively from the surface of various objects that is used or encountered in daily lives. Here, organic-material-based stretchable optical sensors and imagers that possess both bending capability and rubber-like elasticity are reviewed. The latest trends in nondestructive evaluation equipment that enable simple on-site evaluations of health conditions and abnormalities are discussed without subjecting the targeted living bodies and various objects to mechanical stress. Real-time performance under real-life conditions is becoming increasingly important for creating smart societies interwoven with optical technologies. In particular, the terahertz (THz)-wave region offers a substance- and state-specific fingerprint spectrum that enables instantaneous analyses. However, to make THz sensors accessible, the following issues must be addressed: broadband and high-sensitivity at room temperature, stretchability to follow the surface movements of targets, and digital transformation compatibility. The materials, electronics packaging, and remote imaging systems used to overcome these issues are discussed in detail. Ultimately, stretchable optical sensors and imagers with highly sensitive and broadband THz sensors can facilitate the multifaceted on-site evaluation of solids, liquids, and gases.

    DOI: 10.1002/adma.202304048

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  • Stretchable Printed Circuit Board for Wireless Light-Sensing System 査読

    Teppei Araki, Kou Li, Naoko Kurihira, Yuko Kasai, Daichi Suzuki, Satsuki Yasui, Yukio Kawano, Tsuyoshi Sekitani

    2022 International Conference on Electronics Packaging (ICEP)   2022年5月

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    掲載種別:研究論文(国際会議プロシーディングス)   出版者・発行元:IEEE  

    DOI: 10.23919/icep55381.2022.9795470

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  • Stretchable broadband photo-sensor sheets for nonsampling, source-free, and label-free chemical monitoring by simple deformable wrapping 査読

    Kou Li, Teppei Araki, Ryogo Utaki, Yu Tokumoto, Meiling Sun, Satsuki Yasui, Naoko Kurihira, Yuko Kasai, Daichi Suzuki, Ruben Marteijn, Jaap M.J. den Toonder, Tsuyoshi Sekitani, Yukio Kawano

    Science Advances   8 ( 19 )   2022年5月

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    掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    Chemical monitoring communicates diverse environmental information from industrial and biological processes. However, promising and sustainable systems and associated inspection devices that dynamically enable on-site quality monitoring of target chemicals confined inside transformable and opaque channels are yet to be investigated. This paper designs stretchable photo-sensor patch sheets for nonsampling, source-free, and label-free on-site dynamic chemical monitoring of liquids flowing inside soft tubes via simple deformable surface wrapping. The device integrates carbon nanotube–based broadband photo-absorbent thin films with multilayer-laminated stretchable electrodes and substrates. The patterned rigid-soft structure of the proposed device provides durability and optical stability against mechanical deformations with a stretchability range of 70 to 280%, enabling shape-conformable attachments to transformable objects. The effective use of omnidirectional and transparent blackbody radiation from free-form targets themselves allows compact measurement configuration and enhances the functionality and simplicity of this scheme, while the presenting technology monitors concentrations of arbitrary water-soluble chemicals.

    DOI: 10.1126/sciadv.abm4349

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  • Robot-assisted, source-camera-coupled multi-view broadband imagers for ubiquitous sensing platform

    Kou Li, Ryoichi Yuasa, Ryogo Utaki, Meiling Sun, Yu Tokumoto, Daichi Suzuki, Yukio Kawano

    Nature Communications   12 ( 1 )   2021年12月

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Nature Research  

    Multi-functional photo-imaging garners attention towards the development of universal safety-net sensor networks. Although there are urgent needs to comprehensively address the optical information from arbitrarily structured and located targets, investigations on multi-view sensitive broadband monitoring, being independent of the operating environment, are yet to be completed. This study presents a robot-assisted, photo-source and imager implanted, multi-view stereoscopic sensitive broadband photo-monitoring platform with reflective and transmissive switchable modes. A multifaceted photo-thermoelectric device design based on flexible carbon nanotube films facilitates the prototype demonstrations of non-destructive, target-structure-independent, free-form multi-view examinations on actual three-dimensional industrial components. Further functionalisation, namely, a portable system utilising three-dimensional printing and ultraviolet processing, achieves the unification of freely attachable photo-imagers and miniature photo-sources, enabling location-independent operation. Consequently, the non-destructive unmanned, remote, high-speed, omni-directional testing of a defective aerial miniature model winding road-bridge with a robot-assisted photo-source imager built into a multi-axis movable photo-thermoelectric monitor arm is demonstrated.

    DOI: 10.1038/s41467-021-23089-w

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  • Three-dimensional shape reconstruction in millimeter-terahertz wave regions with carbon nanotube film array scanners

    Shota Wada, Kou Li, Meiling Sun, Ryogo Utaki, Yukio Kawano

    2020 International Topical Meeting on Microwave Photonics, MWP 2020 - Proceedings   264 - 266   2020年11月

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(国際会議プロシーディングス)   出版者・発行元:Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc.  

    This paper reports three-dimensional shape restoration in the millimeter waves frequency region. A millimeter-wave sensors, consisting of aligned carbon nanotube film channels, serves as a non-destructive reflective monitoring system of multi-layered curvilinear objects. Also, a simple algorithm facilitates to estimate the distance of the target via analyzing the signals obtained by the scanners. The proposed method enriches millimeter-wave sensing and monitoring technologies, and is potentially applicable to the medical field, inline inspections of products, and non-destructive inspections.

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  • A highly-sensitive and highly-integrated flexible broadband imager with 3D printed \\pi-shaped photo-thermoelectric pixel structures

    Kou Li, Ryogo Utaki, Meiling Sun, Y. Kawano

    International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves, IRMMW-THz   2020-   142 - 143   2020年11月

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(国際会議プロシーディングス)   出版者・発行元:IEEE Computer Society  

    To push forward existing multi-functional terahertz (THz) imaging applications, such as flexible and broadband operation with carbon nanotube (CNT) film-based photo-thermoelectric (PTE) imagers, the high-density pixel integration is essential. This paper proposes a fusion between CNT film absorbers and easily printable flexible thermoelectric modules (TEGs) to design a highly-sensitive, highly-integratable, three-dimensional \\pi-shaped PTE pixel structure. A simple transfer printing enables vertical alignment of BiTe-based PN TEG pairs on a flexible substrate. The CNT film surface channel functions as the efficient heat transfer induced by the external THz irradiation to the vertical TEG structure.

    DOI: 10.1109/IRMMW-THz46771.2020.9370813

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MISC

  • オールインワンチップ近接場テラヘルツ検出器の開発

    河野行雄

    化学工業   60 ( 1 )   51 - 57   2009年

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    記述言語:日本語   出版者・発行元:化学工業社  

    CiNii Books

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  • An on-chip near-field terahertz probe and detector

    Yukio Kawano, Koji Ishibashi

    NATURE PHOTONICS   2 ( 10 )   618 - 621   2008年10月

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    記述言語:英語   出版者・発行元:NATURE PUBLISHING GROUP  

    The advantageous properties of terahertz waves, such as their transmission through objects opaque to visible light, are attracting attention for imaging applications(1,2). A promising approach for achieving high spatial resolution is the use of near-field imaging(3,4). Although this method has been well established in the visible(5,6) and microwave(7,8) regions, it is challenging to perform in the terahertz region. In the terahertz techniques investigated to date(9-11), detectors have been located remotely from the probe, which degrades sensitivity, and the influence of far-field waves is unavoidable. Here we present a new integrated detection device for terahertz near-field imaging in which all the necessary detection components - an aperture, a probe and a terahertz detector - are integrated on one semiconductor chip, which is cryogenically cooled. This scheme allows highly sensitive, high-resolution detection of the evanescent field alone and promises new capabilities for high-resolution terahertz imaging.

    DOI: 10.1038/nphoton.2008.157

    Web of Science

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  • An on-chip near-field terahertz probe and detector

    Yukio Kawano, Koji Ishibashi

    NATURE PHOTONICS   2 ( 10 )   618 - 621   2008年10月

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    記述言語:英語   出版者・発行元:NATURE PUBLISHING GROUP  

    The advantageous properties of terahertz waves, such as their transmission through objects opaque to visible light, are attracting attention for imaging applications(1,2). A promising approach for achieving high spatial resolution is the use of near-field imaging(3,4). Although this method has been well established in the visible(5,6) and microwave(7,8) regions, it is challenging to perform in the terahertz region. In the terahertz techniques investigated to date(9-11), detectors have been located remotely from the probe, which degrades sensitivity, and the influence of far-field waves is unavoidable. Here we present a new integrated detection device for terahertz near-field imaging in which all the necessary detection components - an aperture, a probe and a terahertz detector - are integrated on one semiconductor chip, which is cryogenically cooled. This scheme allows highly sensitive, high-resolution detection of the evanescent field alone and promises new capabilities for high-resolution terahertz imaging.

    DOI: 10.1038/nphoton.2008.157

    Web of Science

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  • Terahertz photon-assisted tunneling in carbon nanotube quantum dots

    Y. Kawano, T. Fuse, S. Toyokawa, T. Uchida, K. Ishibashi

    JOURNAL OF APPLIED PHYSICS   103 ( 3 )   034307-1-4   2008年2月

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    記述言語:英語   出版者・発行元:AMER INST PHYSICS  

    The authors have studied the transport properties of carbon nanotube quantum dots under terahertz (THz) wave irradiation. The experimental data have shown that the satellite currents are generated with the THz irradiation, and that the peak position of the satellite currents varies linearly with the THz photon energy. These results provide experimental evidence for photon-assisted tunneling in the THz region. The present observation provides the interesting possibility of developing a highly sensitive and frequency-tunable THz detector capable of high-temperature operation. (c) 2008 American Institute of Physics.

    DOI: 10.1063/1.2838237

    Web of Science

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  • Terahertz photon-assisted tunneling in carbon nanotube quantum dots

    Y. Kawano, T. Fuse, S. Toyokawa, T. Uchida, K. Ishibashi

    JOURNAL OF APPLIED PHYSICS   103 ( 3 )   034307-1-4   2008年2月

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    記述言語:英語   出版者・発行元:AMER INST PHYSICS  

    The authors have studied the transport properties of carbon nanotube quantum dots under terahertz (THz) wave irradiation. The experimental data have shown that the satellite currents are generated with the THz irradiation, and that the peak position of the satellite currents varies linearly with the THz photon energy. These results provide experimental evidence for photon-assisted tunneling in the THz region. The present observation provides the interesting possibility of developing a highly sensitive and frequency-tunable THz detector capable of high-temperature operation. (c) 2008 American Institute of Physics.

    DOI: 10.1063/1.2838237

    Web of Science

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  • 量子ホール効果を用いた走査型エレクトロメーター

    河野行雄

    「応用物理」最近の展望   76   269 - 274   2007年

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  • Noise-voltage mapping by a quantum-Hall electrometer

    Y Kawano, T Okamoto

    APPLIED PHYSICS LETTERS   87 ( 25 )   252108-1-3   2005年12月

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    記述言語:英語   出版者・発行元:AMER INST PHYSICS  

    We have developed a scanning type of noise sensor system, which utilizes the detection of local voltage fluctuations with a quantum Hall effect (QHE) electrometer. This technique has enabled us to produce the first image of a noise-voltage distribution in a QHE sample. The experimental data clearly reveal that a large amount of noise occurs in the lower magnetic field region of a QHE plateau of Landau-level-filling factor 2 and that it is concentrated in a high-potential edge region of the Hall bar sample. These findings can be reasonably explained as originating from unstable electron transfer taking place when the nonequilibrium edge state equilibrates with the bulk state. These results identify our sensor system as a unique probe of nonequilibrium edge states in QHE systems. (c) 2005 American Institute of Physics.

    DOI: 10.1063/1.2149221

    Web of Science

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  • Noise-voltage mapping by a quantum-Hall electrometer

    Y Kawano, T Okamoto

    APPLIED PHYSICS LETTERS   87 ( 25 )   252108-1-3   2005年12月

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    記述言語:英語   出版者・発行元:AMER INST PHYSICS  

    We have developed a scanning type of noise sensor system, which utilizes the detection of local voltage fluctuations with a quantum Hall effect (QHE) electrometer. This technique has enabled us to produce the first image of a noise-voltage distribution in a QHE sample. The experimental data clearly reveal that a large amount of noise occurs in the lower magnetic field region of a QHE plateau of Landau-level-filling factor 2 and that it is concentrated in a high-potential edge region of the Hall bar sample. These findings can be reasonably explained as originating from unstable electron transfer taking place when the nonequilibrium edge state equilibrates with the bulk state. These results identify our sensor system as a unique probe of nonequilibrium edge states in QHE systems. (c) 2005 American Institute of Physics.

    DOI: 10.1063/1.2149221

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  • Macroscopic channel-size effect of nonequilibrium electron distributions in quantum hall conductors

    Y Kawano, T Okamoto

    PHYSICAL REVIEW LETTERS   95 ( 16 )   166801-1-4   2005年10月

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    記述言語:英語   出版者・発行元:AMER PHYSICAL SOC  

    We have studied the channel-size dependence of nonequilibrium electrons excited into higher Landau levels in a quantum Hall conductor, by mapping cyclotron emission in Hall bars of different sizes. The images obtained reveal that the spatial evolution of the nonequilibrium electrons with current density significantly depends on the channel width of the Hall bar on a macroscopic scale of several hundred mu ms. This observation provides clear evidence of a macroscopic channel-size effect, which can be reasonably understood as originating from a very long equilibrium length of the excited electrons.

    DOI: 10.1103/PhysRevLett.95.166801

    Web of Science

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  • Macroscopic channel-size effect of nonequilibrium electron distributions in quantum hall conductors

    Y Kawano, T Okamoto

    PHYSICAL REVIEW LETTERS   95 ( 16 )   166801-1-4   2005年10月

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    記述言語:英語   出版者・発行元:AMER PHYSICAL SOC  

    We have studied the channel-size dependence of nonequilibrium electrons excited into higher Landau levels in a quantum Hall conductor, by mapping cyclotron emission in Hall bars of different sizes. The images obtained reveal that the spatial evolution of the nonequilibrium electrons with current density significantly depends on the channel width of the Hall bar on a macroscopic scale of several hundred mu ms. This observation provides clear evidence of a macroscopic channel-size effect, which can be reasonably understood as originating from a very long equilibrium length of the excited electrons.

    DOI: 10.1103/PhysRevLett.95.166801

    Web of Science

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  • Imaging of intra- and inter-Landau-level scattering in quantum Hall systems

    Y Kawano, T Okamoto

    PHYSICAL REVIEW B   70 ( 8 )   2004年8月

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    記述言語:英語   出版者・発行元:AMER PHYSICAL SOC  

    We present an experimental investigation of separate distributions of intra- and inter-Landau-level scattering (LLS) in a quantum Hall bar, through the combined use of local voltage sensing and cyclotron emission imaging. The images obtained reveal that the two scatterings are in marked contrast: intra-LLS occurs over the whole channel while inter-LLS is localized in two hot spots and around the source contact. This suggests a substantial difference in the two scattering processes and their characteristic length scale, which is consistent with the expectation from earlier reports.

    DOI: 10.1103/PhysRevB.70.081308

    Web of Science

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  • Imaging of intra- and inter-Landau-level scattering in quantum Hall systems

    Y Kawano, T Okamoto

    PHYSICAL REVIEW B   70 ( 8 )   081308(R)-1-4   2004年8月

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    記述言語:英語   出版者・発行元:AMER PHYSICAL SOC  

    We present an experimental investigation of separate distributions of intra- and inter-Landau-level scattering (LLS) in a quantum Hall bar, through the combined use of local voltage sensing and cyclotron emission imaging. The images obtained reveal that the two scatterings are in marked contrast: intra-LLS occurs over the whole channel while inter-LLS is localized in two hot spots and around the source contact. This suggests a substantial difference in the two scattering processes and their characteristic length scale, which is consistent with the expectation from earlier reports.

    DOI: 10.1103/PhysRevB.70.081308

    Web of Science

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  • Scanning electrometer using the capacitive coupling in quantum Hall effect devices

    Y Kawano, T Okamoto

    APPLIED PHYSICS LETTERS   84 ( 7 )   1111 - 1113   2004年2月

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    記述言語:英語   出版者・発行元:AMER INST PHYSICS  

    We have constructed a scanning electrometer employing a quantum Hall effect (QHE) device. This technique uses capacitive coupling between sensor and sample to read out a change of longitudinal resistance of the sensor. This sensing mechanism was confirmed by measuring the magnetic field dependence of the readout signal and by an analysis based on a model of parallel-plate capacitor. Spatial mapping of Hall voltage profiles in the QHE state was demonstrated with this system. (C) 2004 American Institute of Physics.

    DOI: 10.1063/1.1647691

    Web of Science

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  • Scanning electrometer using the capacitive coupling in quantum Hall effect devices

    Y Kawano, T Okamoto

    APPLIED PHYSICS LETTERS   84 ( 7 )   1111 - 1113   2004年2月

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    記述言語:英語   出版者・発行元:AMER INST PHYSICS  

    We have constructed a scanning electrometer employing a quantum Hall effect (QHE) device. This technique uses capacitive coupling between sensor and sample to read out a change of longitudinal resistance of the sensor. This sensing mechanism was confirmed by measuring the magnetic field dependence of the readout signal and by an analysis based on a model of parallel-plate capacitor. Spatial mapping of Hall voltage profiles in the QHE state was demonstrated with this system. (C) 2004 American Institute of Physics.

    DOI: 10.1063/1.1647691

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  • 量子ホール効果の素子応用-走査型電位計とTHz光顕微鏡-

    河野行雄

    固体物理   39 ( 12 )   919 - 931   2004年

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    記述言語:日本語   出版者・発行元:アグネ技術センタ-  

    CiNii Books

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  • Spatial distribution of nonequilibrium electrons in quantum Hall devices: Imaging via cyclotron emission

    Y Kawano, S Komiyama

    PHYSICAL REVIEW B   68 ( 8 )   2003年8月

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    記述言語:英語   出版者・発行元:AMER PHYSICAL SOC  

    Images of the spatial distribution of nonequilibrium electrons are studied in a wide quantum Hall effect (QHE) Hall bar (nu=2) by detecting the local profile of the cyclotron radiation with an improved spatial resolution of 50 mum for the radiation wavelength of lambda=120 mum. The experiments, along with conventional studies of voltage distribution via voltage probes, reveal the generation of nonequilibrium carriers at the diagonally opposite corners of Hall bars (hot spots) at low current levels (below 80 muA), as well as the occurrence of additional generation of nonequilibrium carriers at the corner opposite to the hot spot on the side of the source contact at higher currents (above 80 muA). The experimental findings are consistently interpreted in terms of earlier models of the electron dynamics around current contacts, providing support to the model of bootstrap-type electron heating for the breakdown of the QHE.

    DOI: 10.1103/PhysRevB.68.085328

    Web of Science

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  • Cyclotron Radiation Imaging of Nonequilibrium Electrons in Ouantum Hall Devices (review article)

    Recent Research Developments in Physics   3, 129   2002年

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  • Suppression of electron-hole-pair recombination in edge states in quantum Hall regimes

    Y Kawano, S Komiyama, K Hirakawa

    PHYSICA B   298 ( 1-4 )   33 - 37   2001年4月

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    記述言語:英語   出版者・発行元:ELSEVIER SCIENCE BV  

    Far-infrared (FIR) photoconductivity induced by cyclotron resonance in edge slates of quantum Hall devices are studied by carrying out time-resolved measurements. It is found that the recombination of electron-hole pairs excited via cyclotron resonance in edge states is significantly suppressed, yielding a surprisingly long recombination lifetime ( similar to 10 ms). This is in marked contrast to much shorter recombination lifetimes ( similar to 1 ms) in bulk states. The experimental results lead us to suggest that the edge-state FIR photoconductivity is induced by an effect of electric polarization. This implies also that edge states can be a promising candidate for application as a FIR detector. (C) 2001 Elsevier Science B.V. All rights reserved.

    DOI: 10.1016/S0921-4526(01)00250-2

    Web of Science

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  • Highly sensitive and tunable detection of far-infrared radiation by quantum Hall devices

    Y Kawano, Y Hisanaga, H Takenouchi, S Komiyama

    JOURNAL OF APPLIED PHYSICS   89 ( 7 )   4037 - 4048   2001年4月

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    記述言語:英語   出版者・発行元:AMER INST PHYSICS  

    We studied far-infrared (FIR) response due to cyclotron resonance (CR) of two-dimensional electron gas systems in GaAs/AlGaAs heterostructures by using cyclotron radiation from n-InSb devices as the illumination source. We examined the dependence of the FIR response on different experimental parameters, including the aspect ratio of Hall bars, electron mobility, bias current, illumination intensity, magnetic field, and lattice temperature. A strong photoresponse emerges only in the vicinity of integer quantum Hall effect (IQHE) regimes. Time-resolved measurements show that the recombination lifetime of excited carriers depends largely on the electron mobility, ranging from 5 mus to 1 ms at 4.2 K. The temporal decay of photoresponse is nonexponential in higher-mobility samples, whereas it is exponential with a single time constant in lower-mobility samples. This, together with the relatively large time constants, suggests that the FIR response is induced through multitrapping processes, in which excited carriers in Landau levels are repeatedly captured by localized states and reexcited to delocalized states. This multitrapping process is suggested to be promoted by the CR-induced heating of the electron system. Theoretical calculation based on the electron heating model reasonably reproduces characteristic dependence of the photoresponse on the magnetic field in the vicinity of IQHE plateaus. The IQHE Hall bars serve as a high-sensitive narrow-band FIR detector, where the highest sensitivity reaches similar to 10(8) V/W. Tunability of the detector is demonstrated by varying the electron density. We discuss briefly the design of high-sensitive FIR detectors using the IQHE Hall bars. (C) 2001 American Institute of Physics.

    DOI: 10.1063/1.1352685

    Web of Science

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  • Cyclotron resonance quantum Hall effect detector

    BA Andreev, LV Erofeeva, Gavrilenko, VI, AL Korotkov, AN Yablonskiy, O Astafiev, Y Kawano, S Komiyama

    PROCEEDINGS OF THE 25TH INTERNATIONAL CONFERENCE ON THE PHYSICS OF SEMICONDUCTORS, PTS I AND II   87   949 - 950   2001年

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    記述言語:英語   出版者・発行元:SPRINGER-VERLAG BERLIN  

    Far IR photoresponse of QHE device operating at cyclotron resonance has been investigated. The possibility of the detector band tuning at the simultaneous increase of the magnetic field and the 2D electron concentration (the latter due to the persistent photoconductivity after band-gap illumination) is demonstrated. Time characteristics of the response have been studied.

    DOI: 10.1088/0268-1242/16/5/304

    Web of Science

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  • Local breakdown of the quantum Hall effect and the correlated cyclotron emission

    Y Kawano, S Komiyama

    PHYSICA E   7 ( 3-4 )   799 - 803   2000年5月

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    記述言語:英語   出版者・発行元:ELSEVIER SCIENCE BV  

    Spatial distribution of the cyclotron radiation emitted from nonequilibrium electrons is studied on 1.5 ms-wide Hall bars in the quantized Wall effect (QHE) regime. At low current levels where the two terminal resistance is quantized, the location of the cyclotron emission (CE) is restricted to the electron entry and exit corners formed between the metallic current contacts and the two-dimensional electron gas (2DEG) layer, As current increases, additional CE occurs in the vicinity of the corner of the source contact that is opposite to the electron entry corner. The additional CE is accompanied by a finite voltage drop. The experimental results demonstrate that in sufficiently wide Hall bars the QHE breaks down locally in the vicinity of the source contact before the breakdown develops in the entire 2DEG channel. (C) 2000 Elsevier Science B.V. All rights reserved.

    DOI: 10.1016/S1386-9477(00)00061-8

    Web of Science

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  • Breakdown of the quantized Hall effect in the vicinity of current contacts

    Y Kawano, S Komiyama

    PHYSICAL REVIEW B   61 ( 4 )   2931 - 2938   2000年1月

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    記述言語:英語   出版者・発行元:AMER PHYSICAL SOC  

    Spatial distribution of the cyclotron radiation emitted from nonequilibrium electrons is studied on 1.5 mm-wide Hall bars in the quantized Hall effect (QHE) regime. At low-current levels whare the two terminal resistance is quantized, the cyclotron emission (CE) is observed at the electron entry and exit corners formed between the metallic current contacts and the two-dimensional electron gas (2DEG) layer. As the current increases, additional CE occurs in the vicinity of the corner of the source contact that is opposite to the electron entry corner. The additional CE is accompanied by a finite voltage drop. The region over which the finite voltage drop takes place is localized to the limited region adjacent to the source contact where the CE is observed, and shows that the QHE breaks down locally in the vicinity of the source contact before the breakdown develops in the entire 2DEG channel. Studies of device-width dependence reveal that this local breakdown of the QHE in the vicinity of the source contact takes place only in sufficiently wide Hall bars (with a width well larger than 200 mu m). All the experimentally observed features are reasonably interpreted by assuming that electron-hole pairs are generated in cascading process due to strong polarization fields formed along the interface between the metallic source contact and the 2DEG.

    DOI: 10.1103/PhysRevB.61.2931

    Web of Science

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  • Imaging of nonequilibrium electrons in quantized Hall devices using cyclotron radiation

    Proceedings of 25th International Conference on the Physics of Semiconductors, (Osaka)   , 921-922   2000年

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  • 量子ホール電子系を用いた遠赤外光子検出

    河野行雄, 小宮山進

    「材料科学」特集号 低次元化による機能発現   37 ( 5 )   206 - 214   2000年

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    記述言語:日本語   出版者・発行元:日本材料科学会  

    CiNii Books

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  • Cyclotron emission from quantized Hall devices: Injection of nonequilibrium electrons from contacts

    Y Kawano, Y Hisanaga, S Komiyama

    PHYSICAL REVIEW B   59 ( 19 )   12537 - 12546   1999年5月

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    記述言語:英語   出版者・発行元:AMER PHYSICAL SOC  

    Emissions of cyclotron radiation associated with the inter-landau-level transition of nonequilibrium electrons are experimentally studied in quantum-Hall-effect devices. It is confirmed that both the longitudinal resistance and the contact resistance an vanishing when the cyclotron emission (CE) is being observed. For the CE, a critical source-drain voltage V-SD is found to exist at V-SD = h omega(c)/2e, where h omega(c) is the inter-landau-level energy spacing. Spatially resolved measurements reveal that the CE takes place at both of the current entry and exit corners ("hot spots") of the Hall bars, A model of ideal current contacts is discussed. The CE on the source side is interpreted as being due to injection of nonequilibrium electrons from the source contact, and the CE on the drain side as due to an inter-landau-level electron tunneling caused by a steep potential wall formed at the drain contact. [S0163-1829(99)04619-6].

    DOI: 10.1103/PhysRevB.59.12537

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  • 量子ホール効果状態における電子系からのサイクロトロン発光

    河野行雄, 小宮山進

    「固体物理」特集号 量子輸送現象における新展開   34   142 - 152   1999年

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  • Cyclotron resonance quantum Hall effect detector

    AV Antonov, Erofeeva, IV, Gavrilenko, VI, NG Kalugin, AL Korotkov, AV Maslovskii, MD Moldavskaya, SI Pripolzin, VL Vaks, Y Kawano, S Komiyama

    ULTRAFAST PHENOMENA IN SEMICONDUCTORS   297-2 ( 297-278 )   353 - 356   1999年

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    記述言語:英語   出版者・発行元:TRANSTEC PUBLICATIONS LTD  

    Cyclotron resonance photoconductivity of 2D electrons in GaAs/AlGaAs heterostructure in millimeter and submillimeter wavelength range 130 - 2700 GHz in magnetic fields up to 6 T at T= 4.2 K was investigated. At low frequences the cyclotron resonance is accompanied by Shubnikov-de Haas-like oscillations of the photoconductivity. At higher frequences the response (versus magnetic field) is shown to consist of few lines corresponding to even values of the filling factor around the resonant field. Quantum Hall effect device was demonstrated to be a sensitive tunable narrow band far infrared detector.

    Web of Science

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  • Spectral response of cyclotron resonanse quantum Hall effect detector

    Proceedings of International Symposium of Compound Semiconductors-25(Nara)   111   1998年

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  • Ultrahigh-Sensitive Far-Infrared Detection Based on Quantum Hall Devices

    Proceedings of 6th International Symposium Nanostructures: Physics and Technology   pp. 140-147   1998年

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  • Spectral response of quantum Hall effect far infrared detector

    Proceedings of 6th International Symposium Nanostructures : Physics and Technology   497   1998年

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  • Spectral response of quantum Hall effect far infrared detector

    Proceedings of 6th International Symposium Nanostructures : Physics and Technology   497   1998年

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  • Spectral response of quantum Hall effect far infrared detector

    Proceedings of International Symposium Nanostructures: Physics and Technology (St. Petersburg)   497   1998年

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  • Quantum Hall Devices as a Tunable and High-Sensitive FIR Detector

    Proceedings of 21th International Conference on Intrared and Millimeter Waves   1996年

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受賞

  • 平成20年度財団法人光科学技術研究振興財団・研究表彰

    2009年  

  • 第2回日本物理学会若手奨励賞受賞

    2008年  

  • 第22回応用物理学会講演奨励賞受賞

    2007年  

共同研究・競争的資金等の研究課題

  • カスタマイズ可能な光学センシングの確立と社会・生活に新たな価値をもたらす光情報の高度利用創出

    2023年 - 2027年

    科学技術振興機構  戦略的な研究開発の推進 未来社会創造事業 探索加速型  中央大学

    河野 行雄

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    あらゆる物の表層から内部までを可視化することは、対象物の状態を把握する上で必要不可欠である。より正確に内部状態を計測するためには、例えばX線CTなどが用いられるが、装置が高価かつ大型であるため、現場でのその場観察は現実的ではない。また、詳細に成分分析する場合、対象物を破壊、抽出してサンプル分析を行う必要があるため、非破壊で“あるがまま”の状態での分析は、現状では困難である。
    本研究では、計測・解析融合画像再構成技術、超広波長域(テラヘルツ~可視光)統合技術を土台として、1光ダメージを受けやすい対象物に対しては微量の光照射で精度よく計測するためのセンサの高感度化、2ダメージレス計測を可能とする低照射下での画像鮮明化、3非破壊・非侵襲での内部構造識別を可能とする内部再構成技術などの基盤技術開発を進める。応用研究としては従来、非破壊での内部計測が困難であった、食品、肌、美術品などを対象にその有効性を検証する。
    研究後は、普段使いの可視化技術として広く普及させ、人々のQOL向上、安心・安全社会の実現、新たな価値創造などに寄与する。

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    J-GLOBAL

  • 高品質グラフェンとシリコンフォトニクスのヘテロ集積によるTHz-光融合

    研究課題/領域番号:22H01555  2022年4月 - 2025年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  基盤研究(B)  徳島大学

    藤方 潤一, 岩崎 拓哉, 石川 靖彦, 高原 淳一, 河野 行雄

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    配分額:17420000円 ( 直接経費:13400000円 、 間接経費:4020000円 )

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  • フレキシブルな分光分析シートセンサ創出にむけた光学素子と集積化の研究

    研究課題/領域番号:22H01553  2022年4月 - 2025年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  基盤研究(B)  大阪大学

    荒木 徹平, 和泉 慎太郎, 河野 行雄

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    配分額:17290000円 ( 直接経費:13300000円 、 間接経費:3990000円 )

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  • テラヘルツ・赤外光電場の3次元制御と階層的トポロジーを持つ物質のナノスケール分析

    研究課題/領域番号:21H01746  2021年4月 - 2024年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  基盤研究(B)  中央大学

    河野 行雄

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    配分額:17290000円 ( 直接経費:13300000円 、 間接経費:3990000円 )

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  • ものづくり現場の非破壊検査における匠の技の科学的理解と視覚増強への応用展開

    研究課題/領域番号:21H05809  2021年9月 - 2023年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  学術変革領域研究(A)  中央大学

    河野 行雄

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    配分額:7800000円 ( 直接経費:6000000円 、 間接経費:1800000円 )

    様々な製品が社会に浸透する中、安心・安全の確保が注目を増すにつれ、製品の非破壊・非接触計測の重要性が年々高まっている。ところが、検査現場において熟練技師と新人技師との検査精度の差が大きな問題となっており、なぜ前者の方が高い精度で見抜けるのかが不明であり、“検査の質感”とも言える興味深い問題に帰着する。本研究は、これまで心眼という曖昧な呼ばれ方をされていた匠の技を正確に伝承するため、この検査質感に関わる感覚や認知のプロセスの科学的な理解、ならびに検査精度を保証するための視覚増強の実現を目的とする。研究代表者らが開発したフレキシブル広帯域センサに基づき、検査員の目を模倣するためセンサを高性能化・実装化し、画像結果と検査員による検査結果を比較することで上記目的を達成する。今年度はセンサの新規構造提案による高性能化・多機能化を行った。より目に近づけるため、自在に形状変化できる特性を持たせることができた。また、領域内共同研究により、センシングに情報処理を組み込み、画像の高品質化に結び付けることができた。

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  • 決定論的ドーピング法に基づく量子物性制御とその確率的情報処理・量子計測への応用

    研究課題/領域番号:18H03766  2018年4月 - 2023年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  基盤研究(A)  東北大学

    品田 賢宏, 谷井 孝至, 大矢 剛嗣, 河野 行雄, 井上 耕治, 清水 康雄

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    配分額:43940000円 ( 直接経費:33800000円 、 間接経費:10140000円 )

    ①決定論的ドーピング法の多元化と量子機能の発現:1)新たな液体金属イオン源を開発し、質量分離可能な集束イオンビーム装置およびシングルイオン注入装置に搭載することで、決定的ドーピング法の多元化を進めた。ガスイオン源の搭載による軽元素の注入可能性については、現有装置への搭載が不可能であったことから、特にシリコンやダイヤモンドのバンドギャップ中に不純物準位を形成する液体金属イオン源を開発することによる代替法の構築を行った。2)シリコン中に不純物を注入し、深い不純物準位の形成とその室温特性を利用した量子輸送特性評価を行った。また、シングルイオン注入法を用いて、シリコン中に希土類元素を注入し、その内殻電子の励起・緩和を活用した単一光子源の開発を進めた。ダイヤモンド中のNVセンターの活用では、NVセンターと他の電子スピンとの磁気的結合を活用した量子ビットの形成と応用を目指している。
    ②単一ドーパント量子ドットを用いたTHz波検出器の開発と量子コヒーレント制御:ドーパントへのテラヘルツ集光効率向上のための更なる光電界集中構造の検討を、シミュレーションと実験の両面から行った。誘電率を適切に設定することで、光電界サイズの局限化に成功した。また、テラヘルツ波検出に対するドーパント分布の効果について考察を行い、ドーパント同士の距離を制御することで、 検出帯域をチューニングできる可能性を示した。
    ③単一ドーパント量子物性制御デバイスの回路実装:単一ドーパント情報処理回路向けのシミュレータ作成を進めた。単一ドーパント量子系に発現する現象・動作を表現するシミュレータの開発を進めると同時に、同回路に実装する具体的な自然・生物的情報処理アーキテクチャの設計、及び試作中のシミュレータにてその動作確認を進め、それらの有用性を確認し、国際会議等で成果発表を行った。

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  • ストレッチャブル光センサ素子の塗布形成とイメージングシステムへの応用

    研究課題/領域番号:19H02199  2019年4月 - 2022年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  基盤研究(B)  大阪大学

    荒木 徹平, 和泉 慎太郎, 河野 行雄

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    配分額:17420000円 ( 直接経費:13400000円 、 間接経費:4020000円 )

    金属ナノ材料やカーボンナノチューブは、湿式プロセスへ高い適合性を示しながら、ナノ物質の特異性を有することから、従来では達成しえなかった機械的柔軟性を示す機能性デバイスを実現可能である。本研究では、「ナノ材料を用いたストレッチャブル光センサ素子の塗布形成とイメージングシステムへの応用」という目標を掲げ、ナノ材料間で生じる電荷輸送の基礎的理解を行い、高性能・高機能な光センサ素子の創出を試みた。その結果、ストレッチャブル配線と多チャネル光センサを用いた塗布型センサシートを構築し、さらには、イメージングシステムの確立とその実用可能性調査を行った。

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  • 触診型テラヘルツグローブの創出と新規低侵襲検査応用

    研究課題/領域番号:19K22099  2019年6月 - 2021年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  挑戦的研究(萌芽)  東京工業大学

    河野 行雄

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    配分額:6370000円 ( 直接経費:4900000円 、 間接経費:1470000円 )

    これまで様々な工業製品が日常生活に浸透しより快適で便利な社会が実現されてきたが,これらの安全性を確認するための検査技術が求められている。本研究では、違和感の少ないやわらかいテラヘルツ帯センサを作製し、人に装着して対象を触りながら検査する触診型テラヘルツ検出グローブを開発した。このセンシング技術の応用として、配管に適用し不具合箇所の検知に使用できることを示した。

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  • 結晶不完全性の積極利用による高機能テラヘルツ帯機能素子

    研究課題/領域番号:19H04539  2019年4月 - 2021年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  新学術領域研究(研究領域提案型)  東京工業大学

    河野 行雄

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    配分額:4160000円 ( 直接経費:3200000円 、 間接経費:960000円 )

    これまで高品質半導体にとって不完全性の要因であった有機・高分子や格子欠陥は、対応するダイナミクスの多くがテラヘルツ(THz)周波数帯に属するものの、THzデバイスへの応用研究が不十分である。本研究は、有機・高分子材料の持つ多彩な高次結晶構造や欠陥、これらの外界への敏感な応答性など、不完全結晶電子材料ならではの特異な特徴を活かすことにより、従来にはない新規なTHz機能デバイスの開拓を目指すことを目的とする。
    今年度は、(1)ナノ発光素子、(2)周波数フィルタリングに関する研究を実施した。(1)については発光領域のサイズを変えることで、ピーク周波数を変えられるサイズ効果を見出した。ナノ構造がない場合に比べて発光強度が格段に強く、またサイズ効果による発光特性の制御が可能であることから、欠陥エンジニアリングならではの発光素子応用が期待できる。(2)有機物については、当研究室で開発してきた周波数フィルタリング素子に有機物を付加することでフィルタリングする周波数を変えるというユニークな使い方ができることを示した。外部からの刺激で有機物の構造や物性を自在に変えられるため、アクティブな周波数可変型フィルタリング素子としての応用が可能である。
    以上から、有機・高分子や格子欠陥など、これまで無機物の完全結晶の観点からは好ましくないとされていた物質や構造を積極的に導入することで、新たな光機能をもたらすことが可能となった。

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  • 周波数可変型テラヘルツナノイメージャーの創出:物性物理への新規応用

    研究課題/領域番号:17H02730  2017年4月 - 2020年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  基盤研究(B)  東京工業大学

    河野 行雄

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    配分額:18070000円 ( 直接経費:13900000円 、 間接経費:4170000円 )

    テラヘルツ(10の12乗ヘルツ)領域に位置する電磁波を波長よりも小さな空間に閉じ込める技術の開発を行った。これを可能にする構造体とテラヘルツ電磁波を検出するためのセンサを用いて、より詳細な分析が可能となった。本研究では、物質の中の電子の振る舞いに関する研究にこの技術を適用し、より極微な情報を得ることができた。

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  • 単一ナノ構造テラヘルツ科学の創成

    研究課題/領域番号:17K19026  2017年6月 - 2019年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  挑戦的研究(萌芽)  東京工業大学

    河野 行雄

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    配分額:6370000円 ( 直接経費:4900000円 、 間接経費:1470000円 )

    テラヘルツ(THz)帯の光子エネルギー(meV)は、様々な固体中電子や格子の励起エネルギー、高分子の振動や分子間相互作用に対応する重要な領域である。そのため、THz技術は、物質科学・生命科学の強力な計測ツールとなることが期待されている。ところが、光領域と電波領域に挟まれたTHz帯は、幅広い電磁波帯の中で他帯域に比べると発展が遅れており、特に可視光に比べて2,3桁波長が長いため(数百μmのスケール)、THz波計測によるナノセンシングの研究は未確立である。本研究では、THz波の局所集光並びに高感度信号読み出しを達成し、金属、半導体、高分子の詳細な物性解析が可能となった。

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  • 3次元ナノ多孔質グラフェンのテラヘルツ応答と素子応用

    研究課題/領域番号:16H00906  2016年4月 - 2018年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  新学術領域研究(研究領域提案型)  東京工業大学

    河野 行雄

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    配分額:7280000円 ( 直接経費:5600000円 、 間接経費:1680000円 )

    本研究では、3次元のナノポーラスグラフェンによる高性能テラヘルツ素子の開発を目的とする。この材料は、3次元曲面を持ちながら、線形なバンド構造、高いキャリア移動度等、単層グラフェン特有の性質を保持している。さらに、光吸収率が単層グラフェンよりも格段に高く、多数のポーラスを有するため、電子・熱物性をポーラスの形状やドーピングにより制御することができる。以上から、本材料はテラヘルツ素子として有望である。本研究は、3次元ナノポーラスグラフェンの電子・光・熱物性とデバイス開発をお互い相関させながら進めた。
    今年度は、昨年度得られた知見を基に、実際にpn接合を有する3次元ナノポーラスグラフェンデバイスを作製し、性能を評価した。この材料は外部からのドーピングなしでは通常p型である。これに対して、ドーピング液を滴下する化学的な手法により、一部をn型に変換し、これによりpn接合を作製した。テラヘルツ応答の位置依存性を測定したところ、pn接合部で大きな応答信号を見出し、テラヘルツ素子としての動作を確認した。
    また、ポーラス(孔)がどのように効いているかを探求するため、磁気抵抗を測定・解析した。結果から、支配的な散乱機構が孔径によって変化することが分かった。この結果はディラック電子系の局在現象を幾何構造で制御できることを示しており、デバイスの更なる高性能化に向けて重要な知見を得ることができた。

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  • 固体素子の非平衡揺らぎ・非線形光応答:ナノ光計測による揺らぎ分光イメージング

    研究課題/領域番号:16H00798  2016年4月 - 2018年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  新学術領域研究(研究領域提案型)  東京工業大学

    河野 行雄

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    配分額:5980000円 ( 直接経費:4600000円 、 間接経費:1380000円 )

    物質中で発生する電荷の揺らぎは、固体素子において通常ノイズとして邪魔者扱いされるが、物質の秩序形成や相変化の根幹を担うことがしばしばある。本研究では、光応答における非平衡・非線形現象という固体物理学の基礎的でかつ重要な課題に関して、現象の空間構造・周波数スペクトルという視点からの研究を目的とした。具体的には、ナノスケールの局所的な光照射を基にした計測システムを創出し、無機・有機デバイスにおける揺らぎ・非線形光応答の探求に応用する。この研究から、非平衡・非線形現象における特徴的なダイナミクスやその発現の背後にある微視的メカニズムを解明することを目指した。
    今年度はグラフェンの赤外応答の量子サイズ効果、プラズモニック構造におけるプラズモンの伝搬を主な研究対象とした。
    グラフェンに関しては、光応答の空間イメージングから、グラフェン特有の赤外応答を観測することができた。この応答強度はグラフェンのサイズ(次元)に応じた周波数依存性を示すため、閉じ込め効果が背景にあることが分かった。
    プラズモニック構造については、光照射によってプラズモン由来の電界分布に明暗のパターンが出現することを観測した。電磁界シミュレーションの結果とよく一致することから、プラズモン伝搬のダイナミクスを可視化できていることを確認した。また、ナノ領域における周波数スペクトル測定により、プラズモン共鳴に基づくピーク構造を観測し、このスペクトル形状から理論的に予想される周波数との一致を見い出した。また、回転対称性を有する別の構造体に対しても同様の測定を行い、回転対称性を反映した特徴的な光電界・位相パターンを観測した。

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  • ナノシリコンドット・ナノワイヤの配列制御によるネオシリコン量子情報処理素子の創製

    研究課題/領域番号:26249048  2014年6月 - 2017年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  基盤研究(A)  東京工業大学

    小田 俊理, 小寺 哲夫, 河野 行雄, 川那子 高暢, ミルン W. I., ウイリアムス D.

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    配分額:41860000円 ( 直接経費:32200000円 、 間接経費:9660000円 )

    ナノ結晶シリコンの粒径制御、配列制御法を検討し、微小電極間に1個のナノ結晶を配列し、電子輸送特性の測定を行った。Ge/Siコアシェルナノワイヤの形成技術を最適化して、熱電素子応用への展望を拓いた。多重集積シリコン量子ドットを作製し電子輸送特性を測定した。2重結合量子ドット、3重結合量子ドットおよびp型結合量子ドットを形成して、少数電子領域やパウリスピンブロッケードの観測により、スピンベース多重集積量子ビットの実現に重要な進展を得た。

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  • テラヘルツエバネッセント光のナノ空間制御と量子伝導研究への応用

    研究課題/領域番号:26286005  2014年4月 - 2017年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  基盤研究(B)  東京工業大学

    河野 行雄

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    配分額:15730000円 ( 直接経費:12100000円 、 間接経費:3630000円 )

    テラヘルツ(THz)電磁波を用いた技術は、物質科学や生命科学など自然科学の多岐にわたる分野で強力な計測ツールとなることが期待されている。本研究は、THzエバネッセント波を、サブ波長空間で制御する技術を開発し、新たなナノ物性研究へ応用することを目的として行われた。半導体微小センサをスキャンするシステムにより、半導体デバイスの電極からの電子注入に伴うTHz発光近接場分布の可視化に成功した。また、シリコン3次元構造と金属膜とのハイブリッド構造を作製することで、サブ波長空間における高いTHz電界増強効果ならびに極微小な試料のTHzセンシングを達成した。

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  • グラフェンによる新機能THzデバイスの開拓

    研究課題/領域番号:26107516  2014年4月 - 2016年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  新学術領域研究(研究領域提案型)  東京工業大学

    河野 行雄

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    配分額:7020000円 ( 直接経費:5400000円 、 間接経費:1620000円 )

    テラヘルツテクノロジーは、電波天文学・固体物理学・生体分子分光学などの基礎学術分野からセキュリティ・情報通信・医療などの実用分野に至る幅広い分野での応用が期待されている。ところが、この周波数帯域は光(フォトニクス)と電波(エレクトロニクス)の間に挟まれているため、他帯域に比べ発展途上である。テラヘルツデバイスの中でも高性能なテラヘルツ検出器は強く求められている技術である。現在の室温検出器としては、焦電検出器、ショットキーバリアダイオード、光伝導アンテナ等が知られているが、感度が低いため高精度な計測ができないことが問題となっている。以上を背景とし、高性能テラヘルツ検出素子の開拓を目指して、ナノカーボンのユニークな特徴を利用した研究を行った。得られた成果は以下の2点である。①高いテラヘルツ吸光度を持つカーボンナノチューブアレイ薄膜によるテラヘルツ検出器のノイズ密度スペクトルを測定したところ、熱雑音極限まで達していることを見出した。この検出器のテラヘルツイメージング応用を行い、遮蔽物背後の物質検知に成功した。また、この試料の低温下でのテラヘルツ応答を調べたところ、別のメカニズムによる応答を見出し、感度が室温に比べて3桁程度向上することが分かった。②立方晶窒化ホウ素基板上(物質・材料研究機構の谷口博士、渡邊博士よりご提供)のグラフェン試料によるテラヘルツ検出について検討し、最適なチャネル形状を特定した。

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  • 電荷揺らぎ分光イメージング法の創出:固体中揺らぎ空間分布構造の探求

    研究課題/領域番号:26103513  2014年4月 - 2016年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  新学術領域研究(研究領域提案型)  東京工業大学

    河野 行雄

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    配分額:6890000円 ( 直接経費:5300000円 、 間接経費:1590000円 )

    物質中で発生する電荷の揺らぎは、固体素子において通常ノイズとして邪魔者扱いされるが、物質の秩序形成や相変化の根幹を担うことがしばしばある。ところがこれまでに、空間・時間・エネルギーから固体中の電荷揺らぎを系統的に調べた研究はきわめて少ない。本研究は、電荷揺らぎの局所的な情報を探求し、固体素子の揺らぎに関係する特徴的な電荷分布形成・ダイナミクスやそれとマクロな物性との関連を解明することを目的として実施された。
    今年度の成果は以下の通りである。
    ①カーボンナノチューブ素子の非平衡伝導と電磁波応答
    カーボンナノチューブ薄膜素子の非平衡伝導と電磁波応答について調べた。光吸収によるデバイス内電子伝導の様子を可視化し、電子のエネルギー緩和のダイナミクスと対応した特徴を特定することが可能となった。また、薄膜の厚みに応じた光応答の違いをイメージング観測し、光伝導の測定における有用な情報を得ることができた。
    ②導電性高分子素子の非平衡伝導と電磁波応答
    導電性高分子の非平衡伝導特性と光応答を調べた(試料は東京工業大学 有機・高分子物質専攻 道信研究室よりご提供)。電気抵抗の温度依存性を測定したところ、ある低温下で電流-電圧特性が急激に非線形になり、2つの伝導状態間をスイッチする、双安定な状態が存在することを見出した。この測定から、伝導を特徴づける2種類のエネルギーを見積もることができた。さらに、この温度領域で光を照射したところ、電気伝導度が急激に増大する現象を観測した。このような光をトリガーとした相転移は、2種類の伝導状態間をスイッチする温度のみで生じることが分かった。この測定から、電子の空間分布の変化に基づく伝導モデルを提案した。

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  • 単一分子テラヘルツ分光イメージングの創成

    研究課題/領域番号:26600010  2014年4月 - 2016年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  挑戦的萌芽研究  東京工業大学

    河野 行雄

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    配分額:3900000円 ( 直接経費:3000000円 、 間接経費:900000円 )

    テラヘルツ電磁波を用いた分光イメージング技術では、解像度の向上が課題である。本研究は、特に物質科学・分子科学・生命科学の分野において求められているナノメータレベルの解像度を目的とした。高精度走査機構と周波数可変テラヘルツ検出器を融合させることで近接場テラヘルツ分光素子を創出した。これにより、微細な半導体試料のテラヘルツ画像・分光解析を可能にした。

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  • ノイズイメージング法による電荷揺らぎ非局所相関の探求

    研究課題/領域番号:23654108  2011年4月 - 2012年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  挑戦的萌芽研究  独立行政法人理化学研究所

    河野 行雄

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    配分額:3900000円 ( 直接経費:3000000円 、 間接経費:900000円 )

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  • グラフェンのテラヘルツ物性開拓とデバイス応用展開

    研究課題/領域番号:22684014  2010年 - 2011年

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  若手研究(A)  独立行政法人理化学研究所

    河野 行雄

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    配分額:25610000円 ( 直接経費:19700000円 、 間接経費:5910000円 )

    本研究は、特異な電子状態・物性から近年急速に注目が高まっているグラフェン(グラファイトの単原子層)のテラヘルツ(THz,10^<12>Hz)電磁波応答の研究とTHzデバイスへの応用を目的とする。本研究の背景には以下の2点がある。(1)THzテクノロジーが、電波天文学・固体物理学・生体分子分光学などの基礎学術分野からセキュリティ・情報通信・医療などの実用分野に至る幅広い分野での応用が期待されているものの、この周波数帯域は光と電波の間に挟まれており、他帯域に比べ発展が立ち後れている。(2)グラフェンは線形なエネルギー対運動量の分散関係を示すことから、キャリアが質量ゼロのディラックフェルミオンと見なすことができる。そのため通常の電子系とは異なる特異な物性を発現することから、新しい電子・光デバイスへの応用が期待されている。本研究では、THz領域におけるディラックフェルミオンの振る舞いを探求し、グラフェンの新しいTHz素子を創出する。今年度は、THz電磁波照射下でのグラフェンの電気伝導を調べた。実験結果から、1.6THz~33THzの相当な広帯域におけるTHz応答を観測した。これは、通常の半導体とは著しく異なるランダウ準位形成下での、ディラックフェルミオンのTHz共鳴吸収(ランダウ準位間遷移)による光伝導現象に基づく。今回の実験は、遠赤外~中赤外の広帯域で周波数を選択しながら検出可能であること(チューナブル検出)を実証している。この優れた特性は従来の光伝導型半導体検出器では得られなかった、グラフェン特有のものである。

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  • 少数電荷分布イメージングの開発

    研究課題/領域番号:22654036  2010年    

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  挑戦的萌芽研究  独立行政法人理化学研究所

    河野 行雄

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    配分額:2900000円 ( 直接経費:2900000円 )

    半導体微細化による電子デバイス性能向上の限界が近づいている現在、新しい材料によるデバイス開発が要求されている。ところが、これらのデバイスでは電極との接合や欠陥の影響がマクロな電気特性に影響を与える課題が指摘されているものの、そこでの電荷分布を高感度・高空間分解能で評価する装置がないという問題に直面している。本研究の目的は、単電子トランジスタや量子ポイントコンタクト素子が潜在的に持つ超高感度性と原子間力顕微鏡カンチレバーの高空間分解能を同時に利用した、新しい電荷分布イメージング用センサを開発することである。この開発は、現在まだ研究段階に止まっている有機半導体、カーボンナノチューブ、グラフェンなど新規材料による電子デバイス実用化の実現に向けた強力な計測装置になると期待できる。本年度は、金属コートカンチレバーと単電子トランジスタのゲート電極を結合させたシステムを開発した。被測定試料に交流電流を流した状態で、単電子トランジスタのソースードレイン電流を測定したところ、試料の電流に同期した周波数で、応答電流が観測された。これは、カンチレバー真下における試料の電荷状態を単電子トランジスタで読み取っていることを意味する。さらに、試料にわずかな直流電流を流した状態で同様の測定を行ったところ、単電子トランジスタからスパイク状のスイッチング電流が観測された。これは、試料中の少数個の電荷を検出していることを示している。

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  • 1次元/2次元複合電子デバイスによるTHz帯単一光子検出器の開発

    研究課題/領域番号:21104519  2009年 - 2010年

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  新学術領域研究(研究領域提案型)  独立行政法人理化学研究所

    河野 行雄

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    配分額:6760000円 ( 直接経費:5200000円 、 間接経費:1560000円 )

    テラヘルツ(THz)電磁波領域は、エレクトロニクスを駆使した電子制御の高周波限界であり、オプティクスを駆使した光制御の低(光子)エネルギー限界でもある。そのため、THz領域は取り残された"最後の砦"になっている。ところが近年になり、物質中電子、生体系高分子、天体系星間物質からの極微弱なTHz放射の検出が、物質における新現象・新機能の発見、生命活動や宇宙創生の謎の解明につながると期待されている。したがって、高性能なTHz検出技術は現代科学のフロンティアに大きく貢献する基盤要素技術となり得るため、現在その創出が強く望まれている。本研究では、THz計測技術の中で重要な柱の1つである検出器の高性能化を目指す。昨年度、1次元電子系(カーボンナノチューブ単電子トランジスタ)と2次元電子系(GaAs/AlGaAsヘテロ界面中2次元電子ガス)の複合構造による高感度THz検出器を開発したため、今年度は検出器の安定動作に不可欠な冷却システムの構築を行った。液体ヘリウムを使用しない機械式冷凍機をベースにして、冷凍機本体からの振動を極力除去し、電気的ノイズを遮断する工夫を凝らした。さらに、ヒーターをPID制御することで、温度安定性の高いシステムを開発した。このシステムにTHz検出器を搭載したところ、検出器は問題なく動作することが確認された。これにより、冷却に液体ヘリウムの汲み足しを必要とせず、長時間の安定使用が可能となった。

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  • 走査型ノイズセンサの高性能化と半導体中電荷揺らぎの空間分布・周波数分散特性の探求

    研究課題/領域番号:20740180  2008年 - 2009年

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  若手研究(B)  独立行政法人理化学研究所

    河野 行雄

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    配分額:4290000円 ( 直接経費:3300000円 、 間接経費:990000円 )

    本研究は、以前開発した量子ホール素子による走査型ノイズセンサの性能を格段に向上させ、この計測技術を量子ホール系における電荷揺らぎの探求に適用することで、実空間・周波数分散の双方における情報を直接的に可視化することを目的として行われた。具体的な成果は以下の3点である。
    (1) カンチレバーを介在させることで、高空間分解能化(24nm)を達成した
    (2) (1)を用いて半導体界面量子ホール系における電荷の局所的な過渡応答を明らかにした
    (3) (1)を用いて、グラフェンにおけるポテンシャル分布マッピングに成功した

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  • カーボンナノチューブ量子ドットのテラヘルツ物性開拓と単一光子検出器の開発

    研究課題/領域番号:18740176  2006年 - 2007年

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  若手研究(B)  独立行政法人理化学研究所

    河野 行雄

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    配分額:3500000円 ( 直接経費:3500000円 )

    カーボンナノチューブ量子ドットのテラヘルツ電磁波応答について、昨年度力ちさらに、以下の進展があった。
    1.THz光子支援トンネル電流の照射強度依存性の観測
    光子支援トンネルによる電流ピーク値が、照射強度に対してベッセル関数的依存を示すことが理論的に予測されているものの、テラヘルツ領域での観測例はない。本研究では、照射テラヘルツ光のパワーを変えることによって、この問題の検証を試みた。実験結果から、クーロンピークと光子支援トンネルによるサイドピークが、照射強度に対してそれぞれ全く逆の振る舞いを示すことが明らかにされた。ベッセル関数への完全なフィットまでは得られなかったが、理論から予想される傾向と一致することを見出した。この結果も、照射テラヘルツ光に対して量子ドットが古典的に応答しているのではなく、光子支援トンネルによって電子波の新しい伝導チャネルが発生していることを強く支持する。
    2.カーボンナノチューブ量子ドット-GaAs2次元電子ガス複合素子でのTHz応答
    昨年度、光子支援トンネルとは別のメカニズムによるTHz応答(クーロンピークシフト)を観測した。この応答は、カーボンナノチューブ直下のSiO_2層のトラップ準位が関与しており、THz光に対して著しい高感度性を示すことが分かった。ところが、トラップ準位という制御性の悪い性質を利用しているため、検出器作製の観点からは不利であった。この改善のため、トラップ準位の代わりに、GaAs2次元電子ガスを利用した新しい検出器を開発した。アイディアは、2次元電子ガスのサイクロトロン吸収による静電ポテンシャル変化を間近のカーボンナノチューブ量子ドットによって読み取る機構である。この複合素子のTHz応答の観測から、サイクロトロン共鳴時においてクーロンピークシフトが最大になることを確認した。

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  • THz光顕微鏡・走査型電位計の高性能化とそれを用いた半導体量子構造の電子物性研究

    研究課題/領域番号:16684007  2004年 - 2005年

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  若手研究(A)  東京大学

    河野 行雄

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    配分額:14690000円 ( 直接経費:11300000円 、 間接経費:3390000円 )

    今年度は、昨年度高性能化を達成した2種類のイメージング計測技術-THz光顕微鏡、走査型電位計-を半導体試料に応用した研究を主に行った。成果は以下の2点である。
    (1)THz光顕微鏡による研究:
    昨年度に引き続き、量子ホール素子から放射されるサイクロトロン発光の伝導チャネルサイズ依存性を系統的に調べた。実験結果から、発光領域が、伝導チャネルの幅に応じて(電流密度が一定であるにもかかわらず)著しく変化する様子を明確にとらえることに成功した。この結果から、量子ホール素子による波長可変テラヘルツレーザーの実現に向けて、デバイス設計の有用な指針を与えることができた。
    (2)走査型電位計による研究:
    開発した走査型電位計をノイズセンサーとして応用することで、量子ホール素子におけるノイズ電圧の空間マッピングを行った。量子ホール状態から弱磁場側にずれた領域で、ノイズ電圧が試料の片側に偏って発生し、一方、強磁場側にずれた領域では、試料全体にわたって発生することを見出した。この実験結果から、前者は局在状態-非局在状態間の電子の飛び移り、後者は非平衡エッジ状態にある電子のバルク状態への不規則的な緩和が背後のメカニズムであることが分かった。
    以上のうち、(1)はPhysical Review Letters誌に掲載、(2)はApplied Physics Letters誌に掲載、7th International Conference on New Phenomena in Mesoscopic Structures/5h International Conference on Surfaces and Interfaces of Mesoscopic Devices (Hawaii, Nov.27-Dec. 2, 2005)において招待講演を行い、(1)と(2)に関する総合的な成果報告を、日本物理学会秋季大会(同志社大学、2005年9月)においてシンポジウム講演として行った。

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  • 半導体2次元電子系における電子相関と磁場効果

    研究課題/領域番号:13304028  2001年 - 2004年

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  基盤研究(A)  東京大学

    岡本 徹, 河野 行雄

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    配分額:38220000円 ( 直接経費:29400000円 、 間接経費:8820000円 )

    Si-MOSFETやSi/SiGeヘテロ構造に作られたシリコン2次元電子系およびGaAs/AlGaAsヘテロ構造に作られたGaAs 2次元正孔系においては、強相関とスピン自由度に起因する興味深い現象が期待される。以下に、本研究で得られた成果を列挙する。
    1)希釈冷凍機に試料回転機構を組み込み、磁場の角度依存性などのデータを迅速に測定できるシステムを開発した。
    2)スピンを完全偏極させると、Si-MOSFETにおいては金属相は消失することが知られていたが、電子移動度が非常に高いSi/SiGeヘテロ接合試料においては、高磁場中でも金属相が生き残ることがわかった。系の内部自由度と不規則性をパラメーターとした金属相出現条件に対する相図を提唱した。
    3)ウィグナー固体が基底状態と期待されるSi-MOSFET絶縁体相において、磁気抵抗効果の詳細な測定を行い、他のグループが主張していた強磁性状態が基底状態ではないことを明らかにした。
    4)絶縁体相における磁気抵抗効果の測定を相関の弱いGaAs電子系と強相関系であるGaAs正孔系に対して行い、強相関シリコン2次元系で見られた活性化エネルギーの振動が強相関系特有の現象であることを明らかにした。
    5)GaAs正孔系の絶縁体相において巨大な正の磁気抵抗を観測した。シリコン2次元系では見られないことからスピン・軌道相互作用が重要であると考えられる。
    6)Si/SiGeヘテロ接合2次元電子系に対して、ミリ波領域のサイクロトロン共鳴と電子スピン共鳴の実験を行った。電子スピン共鳴信号は、電子加熱によるものではなくスピン偏極率の減少によって理解され、電子スピン共鳴が2次元電子系のスピン状態を探るための強力なツールとなることが明らかになった。

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  • テラヘルツ光画像技術の開発とそれを用いた半導体低次元系における電子輸送現象の研究

    研究課題/領域番号:14740185  2002年 - 2003年

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  若手研究(B)  東京大学

    河野 行雄

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    配分額:3400000円 ( 直接経費:3400000円 )

    今年度は、当初からの研究課題であるテラヘルツ光空間分解検出システムの構築・高性能化に加えて、昨年度新たに考案した量子ホール素子による走査型電位計の開発研究、さらにはその物性研究への応用を行った。具体的に得られた成果は、以下の2点に要約される。
    (1)ナノプローブ付のFET型量子ホール素子を用いて高分解能な電位分布計測を可能にした。
    (2)テラヘルツ光空間分解検出技術と走査型電位計を組み合わせることにより、ランダウ準位内/間の各々の画像観測に初めて成功した。
    (1)では、ナノサイズの先端径を持つ金属製プローブをFET型量子ホール素子の金属ゲート電極に装着するという新奇なシステムを作製することで、従来得られていた空間分解能(約10μm)を格段に上回るサブμmの分布計測が可能となった。
    (2)では、今回の研究により開発された2種類のシステムを組み合わせることで、発光分布と電位分布を同時測定する新たな走査型プローブ顕微鏡を開発した。さらに、この技術を量子ホール伝導体に適用することにより、電子のエネルギー散逸に関係する縦電圧発生の起源-1つのランダウ準位内の散乱、異なるランダウ準位間の散乱-のそれぞれの画像観測に初めて成功した。得られた結果からは、2つの分布が著しく異なっていることが明確に見出され、各々の散乱過程やその特徴的な長さスケールの違いが明らかになった。
    以上の成果は、走査型電位計についてはApplied Physics Letters誌の表紙に選ばれ、発光イメージングについてはPhysical Review B誌、さらにナノ科学/技術に関する主要な研究論文が選ばれるVirtual Journal of Nanoscale Science & Technology誌に掲載された。また、上記(1)の成果は、今年度7月に奈良で開催された国際会議(15th International Conference on Electronic Properties of Two-Dimensional Systems)において発表した。

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  • InAs表面反転層における超伝導

    研究課題/領域番号:14654059  2002年 - 2003年

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  萌芽研究  東京大学

    岡本 徹, 河野 行雄

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    配分額:3500000円 ( 直接経費:3500000円 )

    プラズモン機構による超伝導は高密度ほど起こりやすいと考えられるため、酸化シリコンをスパッタリングによりInAs表面に堆積させて、そのときの衝撃により表面近傍にキャリアを誘起させた。このキャリアによって面抵抗が自然反転層だけがあったときよりも著しく減少がすることがわかったが、このキャリアの分布を調べるために極低温下での磁気抵抗測定を行った。2次元面に対して平行に印加した磁場に対して明瞭なシュブニコフ・ドハース振動が観測された。電子系が2次元的であれば(界面量子化されていれば)、面内磁場に対する振動は現れないはずであるので、誘起された電子系は3次元的である。また、垂直磁場下でのホール抵抗の測定から得られる面密度とあわせて解析することによって、この3次元電子の表面からの広がりが1μm程度であることが明らかになった。表面に加えられた衝撃により誘起された3次元電子は、熱処理をするとその分布を広げるとともに徐々に消滅する。消滅後は、反転層の2次元電子だけが残るが、衝撃を加える前よりは、若干、2次元キャリア密度が増加する傾向があることがわかった。今後、衝撃と熱処理の条件を変えることによって、2次元電子密度を著しく増加させることができるかもしれない。
    極低温・超高真空中での劈開表面に金属を蒸着することによりInAs表面キャリアを誘起する実験も行った。今回、容易に試料や蒸着金属を変えて短時間で劈開、蒸着、測定のサイクルを行えるシステムを開発した。
    予備実験において、1原子層程度の銀を蒸着すると劈開直後に100kΩ程度あった面抵抗が1kΩ程度まで減少することがわかった。

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  • Development of THz detectors and near-field THz imaging

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    資金種別:競争的資金

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  • Study on low-dimensional electron systems using scanning probe techniques

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  • テラヘルツ検出器、近接場テラヘルツイメージングの開発

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  • 走査型プローブ顕微鏡を用いた低次元電子系の研究

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知的財産権

  • テラヘルツ波検出装置およびテラヘルツ波検出システム

    鈴木 大地

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    出願番号:(US)16/608,684  出願日:2018年5月9日

    登録番号:(US)11118977  登録日:2021年9月14日 

    出願人(機関):学校法人中央大学

  • テラヘルツ波検出装置およびアレイセンサ

    鈴木 大地

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    出願番号:(US)16/095,771  出願日:2017年4月28日

    登録番号:(US)10969335  登録日:2021年4月6日 

    出願人(機関):学校法人中央大学

  • テラヘルツ波検出装置およびアレイセンサ

    鈴木 大地

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    出願番号:(EP)17789719.6  出願日:2017年4月28日

    公開番号:(EP)3450935  公開日:2019年3月6日

    登録番号:(EP)3450935  登録日:2024年7月3日 

    出願人(機関):学校法人中央大学

  • 熱デバイス

    藤田 武志,陳 明偉

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    出願番号:特願2016-172073  出願日:2016年9月2日

    公開番号:特開2018-37617  公開日:2018年3月8日

    登録番号:特許第7041421号  登録日:2022年3月15日 

    出願人(機関):学校法人中央大学