| Project Area | Science of 2.5 Dimensional Materials: Paradigm Shift of Materials Science Toward Future Social Innovation |
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| Project/Area Number |
21H05237
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Review Section |
Transformative Research Areas, Section (II)
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
上野 貢生 北海道大学, 理学研究院, 教授 (00431346)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
長汐 晃輔 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (20373441)
大野 雄高 名古屋大学, 未来材料・システム研究所, 教授 (10324451)
松尾 吉晃 兵庫県立大学, 工学研究科, 教授 (20275308)
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| Project Period (FY) |
2021-09-10 – 2026-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥199,550,000 (Direct Cost: ¥153,500,000、Indirect Cost: ¥46,050,000)
Fiscal Year 2024: ¥35,100,000 (Direct Cost: ¥27,000,000、Indirect Cost: ¥8,100,000)
Fiscal Year 2023: ¥41,210,000 (Direct Cost: ¥31,700,000、Indirect Cost: ¥9,510,000)
Fiscal Year 2022: ¥37,570,000 (Direct Cost: ¥28,900,000、Indirect Cost: ¥8,670,000)
Fiscal Year 2021: ¥50,050,000 (Direct Cost: ¥38,500,000、Indirect Cost: ¥11,550,000)
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| Keywords | ２.５次元物質 / 界面・空間 / 電子デバイス / 光デバイス / エネルギーデバイス |
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| Outline of Research at the Start |
学術変革領域（A)「２.５次元物質科学」において、本機能創出班（A05班）は、界面・空間制御を共通概念として、電子デバイス、光デバイス、エネルギーデバイスに関する研究を展開し、班内連携してお互いの知見と経験を持ち寄ることでブレークスルーに繋げていく。また、班間連携として、本学術変革領域内で開発された新規２.５次元構造における物性を分析班や物性開拓班と共同して解析し、機能創出に展開する。このような研究活動を通じ、「２.５次元物質科学」の学術的概念の産業展開に向けた機能の具現化を推進する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
研究代表者の上野は、長汐Gと共同で積層型グラフェンナノ構造を作製する技術を構築するとともに、A01班の吾郷Gと共同でグラフェンナノ構造を精緻に作製する方法論を見出し、中赤外波数域におけるプラズモンの分光特性を明らかにすることに成功した。また、光エネルギー変換デバイスを構築するため、A02班の宮田Gと共同で大面積に二硫化モリブデンの薄片を高密度にCVD合成する技術を構築した。
分担者の長汐は、A01班の渡邊Gと共同で2.5次元構造を利用したフラッシュメモリーを構築し50nsでの動作を実証した。また、超短パルス電圧下でのトンネルバリアh-BNの高い絶縁破壊耐性がその起源であることが分かってきた。統計的な実験を実施することで層状物質の絶縁破壊に対する理解が深まると期待できる。
大野は、A01班の櫻井Gと共同で高密度ニューロモルフィックチップの創製の研究を新たに開始し、その要素となるナノ積層メモリスタの構築を進めた。ナノ積層構造の骨格となるカーボンナノチューブとスマネンとの相互作用を電界効果トランジスタの特性から調べ、特に、一部の水素をフッ素に置換したモノフルオロスマネンによって、予想に反してカーボンナノチューブに電子がドーピングされることを見出し、カーボンナノチューブに対してスマネンの椀型構造の底面が特異的に吸着し、スマネンの分極によってドーピングが生じることが示唆された。
松尾は、A02班の松本と共同で、グラフェンライクグラファイト（GLG）へのイオンの貯蔵挙動を調べ、黒鉛には挿入されないナトリウム、マグネシウム等の挿入に成功した。また、GLGの電気化学的アニオン挿入脱離挙動を調べ、これが黒鉛よりも高容量を示すことを明らかにした。さらに、GLGをリチウムイオン電池負極として用いた場合の高入出力特性は、グラフェン内に存在するナノ孔によるものであることを見出した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
研究代表者の上野は、グラフェンナノ構造のサイズや形状を厳密に制御するとともに、そのプラズモンの分光特性を明らかにし、中赤外化学センサーを構築するための基盤技術が整った。また、光エネルギー変換デバイスを構築するための遷移金属ダイカルコゲナイド層状化合物の大面積化を実現し、次年度に向けて順調に研究が進んでいるため。
分担者の長汐は、Siフラッシュメモリーでは1us程度の動作速度しか出ないが，2.5次元構造のフラッシュメモリーで50nsの動作速度を達成することが出来たため。
大野は、領域内共同研究を新たに開始し、すでにカーボンナノチューブとスマネンの相互作用において吸着構造による分極ドーピングという新たな知見を得ており、次年度に向けて順調に研究が進んでいる。
松尾は、GLGには、黒鉛よりも容易に種々のイオンが大量に挿入および脱離できることを明らかにするとともに、GLGのナノ孔を通じたイオンの拡散が速いことを見出している。このことは、GLGが、高入出力・大容量の蓄電池の正負極材料として有用であることを示唆する結果であるため。
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| Strategy for Future Research Activity |
研究代表者の上野は、グラフェンを用いた赤外プラズモニックデバイスによるガスセンサーを構築するため、引き続き長汐Gと共同でh-BN構造上に積層したグラフェンと吾郷Gによって合成されたグラフェンを用いて赤外プラズモン構造と分子振動モードとの相互作用について検討する。また、松尾Gと共同でピラー化グラフェンを用いて赤外プラズモン構造を作製し、層間に取り込んだ分子の高感度振動分光計測技術を構築する。また、光エネルギー変換デバイスを構築するために、宮田Gと共同で二硫化モリブデンだけではなく、二セレン化タングステンの合成も行い、結合系プラズモニックナノ構造の創製と分光特性を明らかにする。
分担者の長汐は、SnSを主体とした2.5次元構造を作製し、理論的には予想されているが実験的には確認されていないシフト電流に基づく光起電力効果の確認を狙う。共同研究を通して、SHGの偏光依存性による歪導入の検討、PFMによる分極形成を解析する。
大野は、ナノ積層構造におけるメモリスタ動作の実証を行う。まず、ナノ積層構造形成のための新たな気相合成技術を構築し、清浄な界面をもつカーボンナノチューブ/スマネン積層構造を実現する。多様な官能基をもつスマネン分子についてナノ積層構造を形成し、その電気的特性からナノ積層メモリスタの可能性を探索する。
松尾は、GLGの各種エネルギー貯蔵デバイスの活物質としての可能性を探るため、引き続き、A02班の松本と共同でGLGへのイオン貯蔵挙動を検討する。また、2．5次元化が、イオン貯蔵挙動に及ぼす効果を明らかとするため、A01班の吾郷と共同で、2層グラフェンへの電気化学イオン貯蔵挙動を調べる。さらに、デュアルイオン電池正極への応用のため、アニオンの挿入脱離の速度連的解析と、表面不可逆反応の解析を進める。
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