原子層ヘテロ界面における一次元電子系の実現

• Project/Area Number: 20J21812
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Review Section: Basic Section 28020:Nanostructural physics-related
• Research Institution: Tokyo Metropolitan University
• Principal Investigator: 清水 宏 東京都立大学, 大学院理学研究科, 特別研究員(DC1)
• Project Period (FY): 2020-04-24 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥2,500,000 (Direct Cost: ¥2,500,000); Fiscal Year 2022: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000); Fiscal Year 2021: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000); Fiscal Year 2020: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000)
• Keywords: 遷移金属カルコゲナイド / ナノワイヤー / 一次元電子系 / 化学気相成長法 / インターカレーション

Outline of Research at the Start

近年、異なる原子層物質(二次元物質)が端で接合した面内原子層ヘテロ構造やその一次元的な接合界面における物性が注目を集めている。この一次元界面では、電子の閉じ込め効果による電子状態や電子輸送特性の変調などが予想されている。本研究では、原子層ヘテロ界面の一次元物性の解明を通じて、将来のデバイス応用に貢献する。具体的には、合成した半導体原子層のヘテロ構造を用いたデバイス作製方法を確立し、その発光特性や電子状態を明らかにしていく。

Outline of Annual Research Achievements

当該年度は、異種元素をインターカレーションした遷移金属カルコゲナイド(TMC)原子細線の構造解析及び電子輸送特性についての研究を行った。以下の二点が主要な成果となる。
①構造解析： WTe原子細線を化学気相成長で合成し、その後、400~500℃でインジウムの蒸気にさらすことでインターカレーションを行った。このIn-WTe試料を、細線の軸方向に垂直に切断し、その断面を電子顕微鏡で観測した。電子顕微鏡像より、隣り合うWTe細線の間にインジウム原子が充填されていることが明らかとなった。またインターカレーションにより、隣接する原子細線同士の距離が増加していることを確認した。ラマン分光測定から、WTe細線がインターカレーション前後で異なる振動ピークを示すことを観測した。これらの変化は、隣接する細線間にInがインターカレーションされたことによる、結晶構造の対称性の変化で説明される。
②電子輸送特性：インターカレーション処理したIn-WTe試料に対し、フォトリソグラフィーを利用してIn/Au電極を作製した。300Kから100~30Kの高温領域において、処理前と同様、温度の減少とともに抵抗が減少する金属的な特性を示す。一方100~30Kから1.9Kの低温領域では温度の減少とともに抵抗が増加する。特に、処理前のWTe試料と比較して抵抗がより大きく増加することが分かった。これらの傾向は、複数のIn-WTe試料で再現性良く確認された。さらに1.9Kの低温では、磁場の印可により磁気抵抗が減少する弱反局在効果的な特徴が観測された。
上記の成果はACS Nano誌に掲載されている。今後、様々な金属原子のインターカレーションにより、新たな三元系TMC原子細線の実現や、その物性・応用研究への展開が期待される。以上の理由より、予想以上の進展があったといえる。

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Vapor-Phase Indium Intercalation in van der Waals Nanofibers of Atomically Thin W6Te6 Wires (2023)
  • Author(s): Natsui Ryusuke、Shimizu Hiroshi、Nakanishi Yusuke、Liu Zheng、Shimamura Akito、Hung Nguyen Tuan、Lin Yung-Chang、Endo Takahiko、Pu Jiang、Kikuchi Iori、Takenobu Taishi、Okada Susumu、Suenaga Kazu、Saito Riichiro、Miyata Yasumitsu
  • Journal Title: ACS Nano Volume: 17 Issue: 6 Pages: 5561-5569
  • DOI: 10.1021/acsnano.2c10997
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Formation of a Two-Dimensional Electronic System in Laterally Assembled WTe Nanowires (2022)
  • Author(s): Shimizu Hiroshi、Pu Jiang、Liu Zheng、Lim Hong En、Maruyama Mina、Nakanishi Yusuke、Ito Shunichiro、Kikuchi Iori、Endo Takahiko、Yanagi Kazuhiro、Oshima Yugo、Okada Susumu、Takenobu Taishi、Miyata Yasumitsu
  • Journal Title: ACS Applied Nano Materials Volume: - Issue: 5 Pages: 6277-6284
  • DOI: 10.1021/acsanm.2c00377
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Nanowire-to-Nanoribbon Conversion in Transition-Metal Chalcogenides: Implications for One-Dimensional Electronics and Optoelectronics (2021)
  • Author(s): Lim Hong En、Liu Zheng、Kim Juan、Pu Jiang、Shimizu Hiroshi、Endo Takahiko、Nakanishi Yusuke、Takenobu Taishi、Miyata Yasumitsu
  • Journal Title: ACS Applied Nano Materials Volume: 5 Issue: 2 Pages: 1775-1782
  • DOI: 10.1021/acsanm.1c03160
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] A Versatile Post-Doping Towards Two-Dimensional Semiconductors (2021)
  • Author(s): Yuya Murai, Shaochun Zhang, Takato Hotta, Zheng Liu, Takahiko Endo, Hiroshi Shimizu, Yasumitsu Miyata, Toshifumi Irisawa, Yanlin Gao, Mina Maruyama, Susumu Okada, Hiroyuki Mogi, Tomohiro Sato, Shoji Yoshida, Hidemi Shigekawa, Takashi Taniguchi, Kenji Watanabe, Canton-Vitoria Ruben, Ryo Kitaura
  • Journal Title: ACS Nano Volume: 2021,15,12 Issue: 12 Pages: 19225-19232
  • DOI: 10.1021/acsnano.1c04584
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Wafer-Scale Growth of One-Dimensional Transition-Metal Telluride Nanowires (2020)
  • Author(s): Lim Hong En、Nakanishi Yusuke、Liu Zheng、Pu Jiang、Maruyama Mina、Endo Takahiko、Ando Chisato、Shimizu Hiroshi、Yanagi Kazuhiro、Okada Susumu、Takenobu Taishi、Miyata Yasumitsu
  • Journal Title: Nano Letters Volume: 21 Issue: 1 Pages: 243-249
  • DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c03456
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 2D electronic transport properties of laterally-assembled WTe nanowires (2022)
  • Author(s): Hiroshi Shimizu
  • Organizer: The 63st Fullerenes-Nanotubes-Graphene General Symposium
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] High mobility and 2D electron gas in aggregates of van der Waals WTe atomic wires (2021)
  • Author(s): Hiroshi Shimizu, Jiang Pu, Zheng Liu, Hong En Lim, Yusuke Nakanishi, Takahiko Endo, Kazuhiro Yanagi, Taishi Takenobu, Yasumitsu Miyata
  • Organizer: The 12th Recent Progress in Graphene and Two-dimensional Materials Research Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Indium intercalation in bundles of WTe atomic wires (2021)
  • Author(s): Hiroshi Shimizu, Zheng Liu, Hong En Lim, Yusuke Nakanishi, Takahiko Endo & Yasumitsu Miyata
  • Organizer: The 61st Fullerenes-Nanotubes-Graphene General Symposium
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Two-dimensional electron gas in laterally-assembled WTe atomic wires (2021)
  • Author(s): Hiroshi Shimizu, Jiang Pu, Zheng Liu, Hong En Lim, Yusuke Nakanishi, Takahiko Endo, Kazuhiro Yanagi, Taishi Takenobu, Yasumitsu Miyata
  • Organizer: 第60回 フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム
• [Presentation] Electron transport properties of WTe nanowire networks (2020)
  • Author(s): Hiroshi Shimizu, Jiang Pu, Hong En Lim, Yusuke Nakanishi, Zheng Liu,Takahiko Endo, Taishi Takenobu, Yasumitsu Miyata
  • Organizer: 第59回 フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム
• [Presentation] Electron transport properties of one-dimensional transition metal chalcogenide networks (2020)
  • Author(s): Hiroshi Shimizu, Jiang Pu, Hong En Lim, Yusuke Nakanishi, Zheng Liu,Takahiko Endo, Taishi Takenobu, Yasumitsu Miyata
  • Organizer: 33rd International Microprocesses and Nanotechnology Conference
• [Presentation] Electron transport of transition metal chalcogenide nanowire networks (2020)
  • Author(s): Hiroshi Shimizu, Jiang Pu, Hong En Lim, Yusuke Nakanishi, Zheng Liu,Takahiko Endo, Taishi Takenobu, Yasumitsu Miyata
  • Organizer: 2020 Virtual MRS Fall Meeting & Exhibit
  • Int'l Joint Research
• [Patent(Industrial Property Rights)] 導電膜、導電部材及び導電膜の製造方法 (2020)
  • Inventor(s): 宮田耕充、中西勇介、林宏恩、遠藤尚彦、安藤千里、清水宏
  • Industrial Property Rights Holder: 宮田耕充、中西勇介、林宏恩、遠藤尚彦、安藤千里、清水宏
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Filing Date: 2020