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原子スケールナノテクノロジーで、
革新的エネルギー・環境デバイスを開拓!

水田研究室 MIZUTA Laboratory
教授:水田 博(Mizuta Hiroshi)

E-mail:mizutajaist.ac.jp
[研究分野]
原子スケール素子、ゼロパワー・ナノハイブリッド集積システム
[キーワード]
グラフェン、ナノ電子機械システム(NEMS)、超低消費電力・環境センサー、量子コンピュータ、極限構造作製、第一原理計算

研究を始めるのに必要な知識・能力

水田研究室では物性物理、電気・電子工学、機械工学、化学の融合領域研究を行っていますので、これらのどれか1つ(あるいは複数)の基礎を修得していることが必要です。さらに、その専門を広げて行く好奇心旺盛な人が適しています。

この研究で身につく能力

水田研究室では、グラフェンをはじめとする新奇な原子層材料と、1ナノメートル精度の超微細加工技術を駆使して、超高感度環境センサーデバイス、超低消費電力スイッチ、量子情報処理デバイス、などを開発しています。これらの研究を通して、①電子線直接描画や最先端ヘリウムイオンビーム技術による極微デバイス作製技術、②環境制御型・高周波プローブステーションや希釈冷凍機などを用いた素子の極限電気特性測定、③第一原理計算からデバイス・回路シミュレーションに至る設計・解析技術、などを幅広く修得することができます。また、英国サザンプトン大学など海外研究機関と緊密に連携し、学生・スタッフが頻繁に交流しているため、研究を進める中で自然に国際的コミュニケーションスキルとリーダーシップ能力を身に着けていくことが可能です。

【就職先企業・職種】 ICT企業、製造業

研究内容


図1.両持ち梁型(左上、右上)およびカンチレバー型(左下)グラフェンNEMSスイッチとシリコンNEMSスイッチ(右下)

図2.グラフェンの高解像度TEM写真(左)と分子吸着時の電荷分布(右)

図3.多重量子ドット(左上)、単電子素子(右上)、単一ドナー原子素子(左下)と第一原理計算ポテンシャル分布(右下)

 水田研究室では、グラフェンや極薄シリコン膜をはじめとする新奇な原子層材料と、原子スケール精度の超微細加工技術を駆使して、超高感度環境センサー、超低消費電力NEMSスイッチ、量子情報処理デバイス、熱フォノンエンジニアリング素子などを開発し、グローバルなエネルギー・環境問題に貢献することを目指しています。
 具体的には、以下の4つの研究テーマを中心に、研究を推進しています。

①ハイブリッドNEMS(ナノ・エレクトロ・メカニカル・システム)機能デバイスの研究

 MOSFETや単電子トランジスタと、NEMSを融合することにより、従来のデバイスでは実現が難しい素子動作や特性を有する機能デバイス(超低消費電力スイッチングトランジスタ、超高感度環境センサーなど)を開発します。またナノ構造における熱フォノン・エンジニアリングのデバイス応用可能性を探索します。

②モノレイヤー・ナノ集積機能システムの研究

 炭素原子一層のグラフェンや、厚さ<10nmの極薄SOI(silicon-on-insulator)などアトムスケール材料を用いて、微細トランジスタやNEMS素子を作製し、その極限的な素子特性の解明と、単分子センサーやエネルギー可逆スイッチなど機能集積システム応用を推進しています。

③単一電子・スピンによる量子情報デバイスの研究

 スピンデコヒーレンス時間が長いシリコン超薄膜やグラフェン上に、多重量子ドット、ナノ磁石、電子スピン共鳴素子、および単一スピン読み出し素子を集積化し、単一スピンを量子ビットとする量子情報処理システムを構築します。

④シングルドーパント原子デバイスの研究

 シリコン超微細構造中に埋め込んだ単一・複数ドーパント原子を介したキャリアトンネリングを制御して動作する新原理デバイスを探索しています。

主な研究業績

  1. J. Sun, W. Wang, M. Muruganathan and H. Mizuta, ʻLow pullin voltage graphene electromechanical switch fabricated with a polymer sacrificial layer’, Appl. Phys. Lett. 105, 033103 (2014)
  2. M. Muruganathan, J. Sun, T. Imanura and H. Mizuta, ʻElectrically- tunable van der Waals interaction in graphene-molecule complex’, Nano Letters 15,8176-8180 (2015)
  3. J. Sun, M. Muruganathan, and H. Mizuta, ʻ Room temperature detection of individual molecular physisorption using suspended bilayer graphene’, in press for Science Advances (2016) DOI: 10.1126/sciadv.1501518

使用装置

電子線リソグラフィー
電界電離ガスイオン源(GFIS)微細加工装置とヘリウムイオン顕微鏡(サザンプトン大学)
環境制御型高周波プローバー
原子分解能走査透過型電子顕微鏡
第一原理・量子輸送シミュレータ

研究室の指導方針

最先端のナノテクノロジーを駆使して、現在のCMOS技術を越えるʻMore than Moore’ & ʻBeyond CMOS’世代のエマージングテクノロジ開拓を目指しています。「まだ世界で誰も実現したことのない機能のデバイスをこの手で初めて開発してみたい!」という意欲のあるあなた、ぜひ一緒に研究しましょう。また、英国サザンプトン大学をはじめとして、海外研究機関に滞在しての研究活動も積極的に推進していますので、国際的に活躍したい方も大歓迎です。

[研究室HP] URL:http://www.jaist.ac.jp/ms/labs/mizuta-lab/

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