層状半導体二次元結晶を用いたスピントロニクスと情報処理

• Project/Area Number: 16J05099
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Thin film/Surface and interfacial physical properties
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 張 奕勁 大阪大学, 産業科学研究所, 特別研究員(SPD)
• Project Period (FY): 2016-04-22 – 2019-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2018)
• Budget Amount: ¥11,700,000 (Direct Cost: ¥9,000,000、Indirect Cost: ¥2,700,000); Fiscal Year 2018: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2017: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2016: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000)
• Keywords: 遷移金属カルコゲナイド / 二次元物質 / ナノチューブ / バルク光起電力 / 太陽電池 / p-n接合 / LED / 二次元結晶 / スピントロニクス / 量子干渉効果 / 装置設計

Outline of Annual Research Achievements

今年度は、マックスプランク研究所での装置立ち上げが遅延していた昨年度に開始した遷移金属カルコゲナイド(TMD)ナノチューブの研究を継続し、主にバルクフォトボルタイック効果(bulk photovoltaic effect, BPVE)に着目した。
TMDは二次元の層状物質であり、TMDナノチューブはそれを丸めたチューブ構造をしている。BPVEは接合や界面を用いない光起電力効果で、一般的なp-n接合における光起電力効果とは全く異なるメカニズムによって発生する。そのため、BPVEは従来の太陽電池の変換効率の理論限界である30%を超える可能性を有する効果である。
今回我々はTMDナノチューブを用いて作製したナノデバイスでBPVEを観測した。ナノデバイスにおける当現象の報告はこれが初めてである。我々の用いた初歩的な構造のデバイスで外部量子効率1.3%を記録し、これは既知の他のバルク物質よりも数桁以上大きい値である。今後、次世代の太陽電池材料の候補としてナノ物質に注目が集まると思われる。また、二次元のままのTMDではこの現象は無視できる程に小さいことも確認し、結晶の対称性を低くすることが変換効率の上昇に重要な役割を担っていることが分かった。これらの成果は英国科学誌「Nature」から出版される。
また、本年度中には三つの招待講演を含む五つの学会で発表を行った。加えて、国内外の計6つの大学・研究機関でセミナーを行い、これまでの研究成果を発表した。

Research Progress Status

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Max Planck Institute(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] Holon Institute of Technology/Weizmann Institute of Science(イスラエル)
• [Int'l Joint Research] マックスプランク固体研究所(MPI-FKF)(ドイツ)
• [Journal Article] Emergent photovoltaic effect in intrinsic tungsten disulphide (2019)
  • Author(s): Y. J. Zhang, T. Ideue, M. Onga, F. Qin, R. Suzuki, A. Zak, R. Tenne, J. H. Smet, Y. Iwasa
  • Journal Title: Nature Volume: 印刷中
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Superconductivity in Pristine 2Ha-MoS2 at Ultrahigh Pressure (2018)
  • Author(s): Chi Zhenhua、Chen Xuliang、Yen Fei、Peng Feng、Zhou Yonghui、Zhu Jinlong、Zhang Yijin、Liu Xiaodi、Lin Chuanlong、Chu Shengqi、Li Yanchun、Zhao Jinggeng、Kagayama Tomoko、Ma Yanming、Yang Zhaorong
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 120 Issue: 3 Pages: 037002-037002
  • DOI: 10.1103/physrevlett.120.037002
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Optoelectronic response of a WS2 tubular p-n junction (2018)
  • Author(s): Zhang Yijin、Onga Masaru、Qin Feng、Shi Wu、Zak Alla、Tenne Reshef、Smet Jurgen、Iwasa Yoshihiro
  • Journal Title: 2D Materials Volume: 5 Issue: 3 Pages: 035002-035002
  • DOI: 10.1088/2053-1583/aab670
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Robustly protected carrier spin relaxation in electrostatically doped transition-metal dichalcogenides (2017)
  • Author(s): Zhang Yijin、Shi Wu、Ye Jianting、Suzuki Ryuji、Iwasa Yoshihiro
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 95 Issue: 20 Pages: 205302-205302
  • DOI: 10.1103/physrevb.95.205302
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Extended Polymorphism of Two-Dimensional Material (2017)
  • Author(s): M. Yoshida, J. Ye, Y. Zhang, Y. Imai, S. Kimura, A. Fujiwara, T. Nishizaki, N. Kobayashi, M. Nakano, and Y. Iwasa
  • Journal Title: Nano Letters Volume: 17 Issue: 9 Pages: 5567-5571
  • DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b02374
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Exciton Hall effect in monolayer MoS2 (2017)
  • Author(s): M. Onga, Y. Zhang, T. Ideue, and Y. Iwasa
  • Journal Title: Nature Materials Volume: 16 Issue: 12 Pages: 1193-1197
  • DOI: 10.1038/nmat4996
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Potential Profile of Stabilized Field-Induced Lateral p-n Junction in Transition-Metal Dichalcogenides (2017)
  • Author(s): Zhang Yijin、Suzuki Ryuji、Iwasa Yoshihiro
  • Journal Title: ACS Nano Volume: 11 Issue: 12 Pages: 12583-12590
  • DOI: 10.1021/acsnano.7b06752
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] 遷移金属カルコゲナイドナノチューブの光起電力 (2019)
  • Author(s): 張奕勁、井手上敏也、恩河大、秦峰、鈴木龍二、Alla Zak、Reshef Tenne、Jurgen Smet、岩佐義宏
  • Organizer: 日本物理学会 第74回年次大会
• [Presentation] Emergent optoelectronic functionality in low dimensional non-centrosymmetric semiconductors (2019)
  • Author(s): Yijin Zhang, Toshiya Ideue, Masaru Onga, Feng Qin, Ryuji Suzuki, Alla Zak, Reshef Tenne, Jurgen H. Smet, Yoshihiro Iwasa
  • Organizer: META 2019, the 10th International Conference on Metamaterials, Photonic Crystals and Plasmonics
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Optoelectronic properties of tungsten disulfide nanotube (2018)
  • Author(s): Yijin Zhang, Yoshihiro Iwasa, Jurgen Smet
  • Organizer: FET international workshop 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Effects of crystal symmetry on optical responses in transition metal dichalcogenide nanostructures (2018)
  • Author(s): Yijin Zhang, Yoshihiro Iwasa
  • Organizer: International Workshops -Dirac Fermions and Relativistic Effects in 2D Materials-
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Optoelectronic Functionalities of Transition-Metal Dichalcogenide Nanostructures (2018)
  • Author(s): Yijin Zhang
  • Organizer: International Symposium -Low Dimensional Materials for Optoelectronics-
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Optoelectronic functionalities in non-centrosymmetric low-dimensional materials (2018)
  • Author(s): Yijin Zhang
  • Organizer: EU-JP Tokyo One-day Sympoium
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Optoelectronic properties of tungsten disulfide nanotube p-n junctions (2018)
  • Author(s): Yijin Zhang, Masaru Onga, Feng Qin, Wu Shi, Alla Zak, Reshef Tenne, Jurgen Smet, Yoshihiro Iwasa
  • Organizer: APS March Meeting 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Carrier spin relaxation in electrostatically doped transition-metal dichalcogenides (2017)
  • Author(s): Yijin Zhang, Wu Shi, Jianting Ye, Ryuji Suzuki, Yoshihiro Iwasa
  • Organizer: Graphene2017
  • Place of Presentation: Barcelona, Spain
  • Year and Date: 2017-03-28
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Application of transition-metal dichalcogenides beyond general electronics (2017)
  • Author(s): Yijin Zhang
  • Organizer: Nano-Micro Conference 2017
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Field-induced p-n junction in transition-metal dichalcogenides (2017)
  • Author(s): Yijin Zhang, Masaru Onga, Ryuji Suzuki, Yoshihiro Iwasa
  • Organizer: Graphene Week 2017
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 遷移金属カルコゲナイドにおける磁気抵抗効果 (2016)
  • Author(s): 張 奕勁、鈴木 龍二、石 武、叶 劍挺、岩佐 義宏
  • Organizer: 日本物理学会秋季大会
  • Place of Presentation: 金沢大学
  • Year and Date: 2016-09-13
• [Presentation] 遷移金属カルコゲナイド中に形成された横型p－n接合の伝導特性 (2016)
  • Author(s): 張 奕勁、鈴木 龍二、岩佐 義宏
  • Organizer: 日本物理学会秋季大会
  • Place of Presentation: 金沢大学
  • Year and Date: 2016-09-13
• [Presentation] WS2ナノチューブを用いた光電気デバイス (2016)
  • Author(s): 張 奕勁、恩河 大、秦 峰、石 武、A. Zak、R. Tenne、岩佐 義宏
  • Organizer: 日本物理学会秋季大会
  • Place of Presentation: 金沢大学
  • Year and Date: 2016-09-13