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Creation of functional metastable silicon-based multiple element materials by controlling light elements

Research Project

Project/Area Number 20H00303
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (A)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Review Section Medium-sized Section 26:Materials engineering and related fields
Research InstitutionNagoya University

Principal Investigator

Usami Noritaka  名古屋大学, 工学研究科, 教授 (20262107)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 大山 研司  茨城大学, 理工学研究科(工学野), 教授 (60241569)
Project Period (FY) 2020-04-01 – 2024-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥46,150,000 (Direct Cost: ¥35,500,000、Indirect Cost: ¥10,650,000)
Fiscal Year 2023: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000)
Fiscal Year 2022: ¥6,110,000 (Direct Cost: ¥4,700,000、Indirect Cost: ¥1,410,000)
Fiscal Year 2021: ¥6,370,000 (Direct Cost: ¥4,900,000、Indirect Cost: ¥1,470,000)
Fiscal Year 2020: ¥27,170,000 (Direct Cost: ¥20,900,000、Indirect Cost: ¥6,270,000)
Keywords多元混晶 / 非平衡成長 / 軽元素 / 白色中性子ホログラフィー / 局所構造
Outline of Research at the Start

本研究では、印刷・焼成からなるシリコンゲルマニウム混晶の独自成長プロセスを、スズと水素を含む多元素化と非平衡化に拡張し、ハイスループット実験にデータ科学を援用する新たな方法論により、準安定な高スズ組成と水素終端による高性能化を同時達成する多変量パラメータを効率的に決定する。この過程において、スズ位置の確定と置換率の定量評価の確実な実施に加え、白色中性子ホログラフィーの高度化により局所構造観測範囲を薄膜中の水素に拡大することに挑戦し、機能発現要因の解明を進める。

Outline of Final Research Achievements

We have demonstrated that a unique nonequilibrium growth method, in which a paste containing tin is screen-printed on a silicon or germanium substrate and then subjected to pulsed laser annealing, can be used to fabricate alloy thin films containing tin that exceed the solubility. In addition, the evaluation by X-ray diffraction and X-ray fluorescence holography showed that tin substitutes the lattice positions. White neutron holography was made highly sensitive, paving the way for the observation of hydrogen atoms passivating defects in semiconductors.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究は、半導体原料を含むペーストのスクリーン印刷とパルスレーザーアニール処理という非真空下で大面積基板に適応可能な簡便なプロセスにより非平衡成長を実現し、固溶限界を超えるスズを含むシリコン系多元混晶薄膜を創成できることを実証した。これは材料の探索範囲を準安定相に拡張し、安定相では得ることのできない機能をもつ材料の創成や、その機能を生かしたデバイスの実現に繋がる成果といえる。また、白色中性子ホログラフィーを高感度化することにより水素が観測できることを強く示唆する結果が得られたことは、水素による材料機能発現機構の解明などの研究を深化させ、材料科学を進展させるため学術的意義が極めて大きい。

Report

(6 results)
  • 2023 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2022 Annual Research Report
  • 2021 Annual Research Report
  • 2020 Comments on the Screening Results   Annual Research Report
  • Research Products

    (30 results)

All 2024 2023 2022 2021 2020

All Journal Article (3 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 3 results,  Open Access: 3 results) Presentation (27 results) (of which Int'l Joint Research: 11 results,  Invited: 2 results)

  • [Journal Article] Development of instruments for imaging of local magnetic structure by magnetic neutron holography2024

    • Author(s)
      Kanno Tomoya、Ohoyama Kenji、Nakada Hajime、Fukui Yuto、Yamakawa Kota、Hoshi Shota、Takano Motoki、Kobayashi Yodai、Tomimatsu Yuka、Takahashi Shingo、Oku Takayuki、Okudaira Takuya、Kobayashi Ryuju、Takada Shusuke、Harada Masahide、Oikawa Kenichi、Inamura Yasuhiro、Shishido Toetsu、Sato Keisuke、Hayashi Kouichi
    • Journal Title

      Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment

      Volume: - Pages: 169349-169349

    • DOI

      10.1016/j.nima.2024.169349

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      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Epitaxial growth of SiGe films by annealing Al-Ge alloyed pastes on Si substrate2022

    • Author(s)
      Keisuke Fukuda, Satoru Miyamoto, Masahiro Nakahara, Shota Suzuki, Marwan Dhamrin, Kensaku Maeda, Kozo Fujiwara, Yukiharu Uraoka, Noritaka Usami
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 12 Issue: 1 Pages: 147701-11

    • DOI

      10.1038/s41598-022-19122-7

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      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Determination of site occupancy of boron in 6H-SiC by multiple-wavelength neutron holography2022

    • Author(s)
      Kouichi Hayashi, Maximilian Lederer, Yohei Fukumoto, Masashi Goto, Yuta Yamamoto, Naohisa Happo, Masahide Harada, Yasuhiro Inamura, Kenichi Oikawa, Kenji Ohoyama, and Peter Wellmann
    • Journal Title

      Appl. Phys. Lett.

      Volume: 120 Issue: 13 Pages: 132101-132101

    • DOI

      10.1063/5.0080895

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      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Presentation] Crystal growth of group IV mixed crystal thin films using screen-printing and pulse laser annealing2024

    • Author(s)
      T. Sato, S. Suzuki, H. Minamiyama, M. Dhamrin, S. Miyamoto, N. Usami
    • Organizer
      2024 Korea-Japan PV Joint Workshop
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  • [Presentation] 印刷とパルスレーザーアニールによるSi基板上へのSiGe薄膜成長2024

    • Author(s)
      佐藤剛志, 宮本聡, 鈴木紹太, 南山偉明, ダムリン マルワン, 宇佐美徳隆
    • Organizer
      第71回応用物理学会春季学術講演会
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      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] 印刷とパルスレーザーアニールによるGe基板上へのGeSn薄膜成長2024

    • Author(s)
      佐藤剛志, 宮本聡, 鈴木紹太, 南山偉明, ダムリン マルワン, 宇佐美徳隆
    • Organizer
      第71回応用物理学会春季学術講演会
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      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] SiGe epitaxial growth via pulsed laser annealing of Al-Ge pastes on Si2023

    • Author(s)
      T. Sato, S. Miyamoto, L. Xuan, S. Suzuki, M. Dhamrin, N. Usami
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      International Conference on Crystal Growth and Epitaxy (ICCGE20)
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      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] A challenge of observing hydrogen atoms in metals using white neutron holography2023

    • Author(s)
      Y. Tomimatsu, Y. Kobayashi, K. Aizawa, S. Kawakami, K. Abe, T. Kuroume, M. Takita, M. Harada, K. Oikawa, Y. Inamura, S. Ajito, E. Akiyama, S. Orimo, K. Hayashi, K. Ohoyama
    • Organizer
      8th International Symposium of Quantum Beam Science at Ibaraki University (ISQBS2023)
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      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Neutron scattering technique with element selectivity for study of hyper-ordered structures of light elements2023

    • Author(s)
      K. Ohoyama, Y. Kobayashi, Y. Tomimatsu, K. Aizawa, S. Kawakami, K. Abe, T. Kuroume, M. Takita, M. Harada, Y. Inamura, K. Oikawa, N. Happo, K. Hayashi
    • Organizer
      MRM2023/IUMRS-ICA2023 Grand Meeting
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      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] A challenge of observing hydrogen atoms in metals using white neutron holography2023

    • Author(s)
      Y. Tomimatsu, Y. Kobayashi, K. Aizawa, S. Kawakami, K. Abe, T. Kuroume, M. Takita, M. Harada, K. Oikawa, Y. Inamura, S. Ajito, E. Akiyama, S. Orimo, K. Hayashi, K. Ohoyama
    • Organizer
      MRM2023/IUMRS-ICA2023 Grand Meeting
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      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Al-Ge合金ペーストのパルスレーザー熱処理によるSi基板上へのSiGe薄膜成長2022

    • Author(s)
      佐藤剛志, 宮本聡, 鈴木紹太, ダムリン マルワン, 宇佐美徳隆
    • Organizer
      第83回応用物理学会秋季学術講演会
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      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] Rapid growth of SiGe thin-films by pulsed laser annealing of Al-Ge alloyed pastes on silicon2022

    • Author(s)
      Takeshi Sato, Satoru Miyamoto, Shota Suzuki, Marwan Dhamrin, Noritaka Usami
    • Organizer
      33rd International Photovoltaic Science and Engineering Conference
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      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Verification of Sn position in Sn-doped Si,Ge thin film solar cell materials by X-ray fluorescence holography2022

    • Author(s)
      S. Hoshi, T. Kanno, M. Takano, W. Keiko, Y. Kobayashi, Y. Tomimatu, K. Kimura, N. Happo, S. Suzuki, M. Dhamrin, K. Fukuda, S. Miyamoto, N. Usami, K. Hayashi, K.Ohoyama
    • Organizer
      33rd International Photovoltaic Science and Engineering Conference
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      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 太陽電池材料 Sn ドープ Si,Ge 薄膜中の Sn 及び Ge 周りの原子イメージング2022

    • Author(s)
      星 翔太,菅野 友哉,高野 元輝,小林 洋大,富松 優花,木村 耕治, 八方 直久,鈴木 紹太,ダムリン マルワン,宮本 聡,宇佐美 徳隆,林 好一, 大山 研司
    • Organizer
      中性子科学会第22回年会
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      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] Study of local structures in Sn doped Si,Ge thin film for evaluation of Sn concentration2022

    • Author(s)
      S. Hoshi, T. Kanno, M. Takano, W. Keiko, Y. Kobayashi, Y. Tomimatu, K. Kimura, N. Happo, S. Suzuki, M. Dhamrin, K. Fukuda, S. Miyamoto, N. Usami, K. Hayashi, K.Ohoyama
    • Organizer
      International Workshop on Exploration of Atomistic Disorder in Long-Range Ordered Systems and of Order in Disordered Materials
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 太陽電池材料SnドープSi,Ge薄膜での局所構造観測によるSn置換量の定量評価への試み2022

    • Author(s)
      星翔太, 菅野友哉, 高野元輝, Keiko Widyanisa, 小林洋大, 富松優花, 木村耕治, 八方直久, 鈴木紹太, ダムリン マルワン, 福田啓介, 宮本聡, 宇佐美徳隆, 林好一, 大山研司
    • Organizer
      日本物理学会2022年秋季大会
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      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] Host-crystal orientation effects on SiGe epitaxial films grown by annealing Al-Ge alloyed pastes2022

    • Author(s)
      Keisuke Fukuda, Satoru Miyamoto, Shota Suzuki, Masahiro Nakahara, Marwan Dhamrin, Kensaku Maeda, Kozo Fujiwara, Noritaka Usami
    • Organizer
      33rd International Photovoltaic Science and Engineering Conference
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      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Al-Ge合金ペーストによるSi(111)基板上へのSiGe混晶薄膜の成長2022

    • Author(s)
      福田啓介,宮本聡,鈴木紹太,中原正博,ダムリン マルワン,前田健作,藤原航三,宇佐美徳隆
    • Organizer
      第69回応用物理学会春季学術講演会
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      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] High Ge-Content SiGe Films Epitaxially Grown by Annealing Al-Ge Alloyed Pastes on Si Substrate2021

    • Author(s)
      K. Fukuda, S. Miyamoto, M. Nakahara, S. Suzuki, M. Dhamrin, K. Maeda, K. Fujiwara and N. Usami
    • Organizer
      2021 International Conference on Solid State Devices and Materials, SSDM 2021
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      2021 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 合金ペーストにより形成されるSiGe混晶層のその場観察と構造評価2021

    • Author(s)
      福田啓介,宮本聡,中原正博,鈴木紹太,ダムリン マルワン,前田健作,藤原航三,宇佐美徳隆
    • Organizer
      第82回応用物理学会秋季学術講演会
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      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] Al-Ge合金ペーストを用いた多接合型太陽電池のためのSiGe混晶層形成2021

    • Author(s)
      福田啓介, 宮本聡, 中原正博, 鈴木紹太, ダムリン マルワン, 宇佐美徳隆
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      第18回「次世代の太陽光発電システム」シンポジウム(第1回日本太陽光発電学会学術講演会)
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      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] 太陽電池材料SnドープSi,Ge薄膜の活性サイト位置のSn量の定量評価2021

    • Author(s)
      星翔太, 菅野友哉, 高野元輝, Keiko Widyanisa, 小林洋大, 富松優花, 木村耕治, 八方直久, 鈴木紹太, ダムリンマルワン, 福田啓介, 宮本聡, 宇佐美徳隆, 林好一, 大山研司
    • Organizer
      日本中性子科学会科学会第21回年会
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      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] 蛍光X線ホログラフィーによる太陽電池材料SnドープSiGe薄膜の局所構造観測2021

    • Author(s)
      星翔太, 菅野友哉, 高野元輝, 荒瀬将太朗, 石崎嵩人, 野田新太, 木村耕治, 八方直久, 中原正博, ダムリン マルワン, 宇佐美徳隆, 林好一, 大山研司
    • Organizer
      日本物理学会2021年秋季大会
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      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] 白色中性子ホログラフィーの多検出器系の効果2021

    • Author(s)
      KEIKO WIDYANISA, 小林 洋大, 富松優花, 荒瀬 将太朗, 石﨑 嵩人, 野田 新太, 菅野 友哉, 高野元輝, 星 翔太, 原田 正英, 及川 健一, 稲村 泰弘, 林好一, 大山 研司
    • Organizer
      日本中性子科学会科学会第21回年会
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      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] 白色中性子ホログラフィーの高分解能マルチ検出系の構築2021

    • Author(s)
      野田新太, 荒瀬将太朗, 石﨑嵩人, 菅野友哉, 高野元輝, 星翔太, 原田正英, 及川健一, 林好一, 大山研司
    • Organizer
      日本物理学会2021年秋季大会
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      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] Formation of SiGe alloyed films on Si substrate by screen-printing of Al-Ge pre-alloyed mixture pastes2021

    • Author(s)
      M. Nakahara, M. Matsubara, S. Suzuki, M. Dhamrin, K. Fukuda, S. Miyamoto, K. Maeda, K. Fujiwara, and N. Usami
    • Organizer
      The 8th Asian Conference on Crystal Growth and Crystal Technology
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      2020 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 新しい材料科学の目:白色中性子ホログラフィー2021

    • Author(s)
      大山研司
    • Organizer
      日本物理学会76回年次大会
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      2020 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] 原子分解能ホログラフィーを用いた太陽電池材料 SnドープSi薄膜のSn位置の決定2020

    • Author(s)
      星 翔太, 菅野 友哉, 高野 元輝, 荒瀬 将太郎, 石崎 嵩人, 野田 新太, 木村 耕一, 八方 直久, 中原 正博, ダムリン マルワン, 林 好一, 大山 研司, 宇佐美 徳隆
    • Organizer
      日本中性子科学会2020年年会
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      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] 白色中性子ホログラフィーの最近の進展と次の展開2020

    • Author(s)
      大山 研司, 杉本 和哉, 山本 隆文, 荒瀬  将太朗、石﨑嵩人, 野田 新太, 菅野 友哉, 高野 元輝, 星  翔太, 八方 直久, 原田 正英, 及川 健一, 稲村 泰弘, 林 好一
    • Organizer
      日本中性子科学会2020年年会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] 印刷と焼成で形成したSiGe混晶薄膜の顕微ラマン分析2020

    • Author(s)
      福田啓介, 宮本聡, 中原正博, 沓掛健太郎, ダムリンマルワン, 宇佐美徳隆
    • Organizer
      第81回応用物理学会秋季学術講演会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report

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Published: 2020-04-28   Modified: 2025-01-30  

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