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Developing the lightest functional material for smart societal infrastructure

Research Project

Project/Area Number 21H05012
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (S)

Allocation TypeSingle-year Grants
Review Section Broad Section D
Research InstitutionThe University of Tokyo

Principal Investigator

松田 巌  東京大学, 物性研究所, 教授 (00343103)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 安藤 康伸  東京工業大学, 科学技術創成研究院, 准教授 (00715039)
吹留 博一  東北大学, 電気通信研究所, 准教授 (10342841)
近藤 剛弘  筑波大学, 数理物質系, 教授 (70373305)
細野 英司  国立研究開発法人産業技術総合研究所, エネルギー・環境領域, 主任研究員 (80462852)
Project Period (FY) 2021-07-05 – 2026-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2024)
Budget Amount *help
¥104,390,000 (Direct Cost: ¥80,300,000、Indirect Cost: ¥24,090,000)
Fiscal Year 2025: ¥18,200,000 (Direct Cost: ¥14,000,000、Indirect Cost: ¥4,200,000)
Fiscal Year 2024: ¥18,200,000 (Direct Cost: ¥14,000,000、Indirect Cost: ¥4,200,000)
Fiscal Year 2023: ¥18,200,000 (Direct Cost: ¥14,000,000、Indirect Cost: ¥4,200,000)
Fiscal Year 2022: ¥18,200,000 (Direct Cost: ¥14,000,000、Indirect Cost: ¥4,200,000)
Fiscal Year 2021: ¥31,590,000 (Direct Cost: ¥24,300,000、Indirect Cost: ¥7,290,000)
Keywords原子層材料 / ホウ素 / ディラック電子系 / オペランド計測 / 機能性 / 原子層 / ボロフェン / 合成 / HB / ボロファン / 銅表面 / 電池 / オペランド
Outline of Research at the Start

我々はホウ素の単原子シート「ボロフェン」および水素化ホウ素シート「ボロファン」の合成に世界で初めて成功してきた。本物質はグラフェンでは実現し得ないディラック線半金属を成し、さらに水素輸送など豊かな材料特性も有する。また最軽量、豊富な資源、環境負荷フリーなどの特徴があり、この新奇なディラック電子系も次世代通信や電池分野において高い性能が期待される。そこで、我々が培ってきた材料合成と動作環境下測定(オペランド測定) の技術を駆使して、ボロフェンおよび誘導体に潜む低次元電子系とホウ素の「化学」と「物理」を明らか にすると共に、スマート社会基盤における本物質の素子材料としての機能性開発を行う。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では新たな単原子層材料であるホウ素の単原子シート「ボロフェン」をベースに最軽量の情報およびエネルギー材料の開発に取り組んでいる。ボロフェンおよび、その誘導体は多様な元素組成と原子構造を取ることができ、我々は精密測定が可能な「大面積合成」試料と実用化が可能な「大量合成」試料を作り分け、各試料の物質情報を総合的かつ相補的に研究しながら展開している。そして本物質の機能性の起源や原因となる電子状態を調べることで、その学理も追求しながらデバイス開発を推進している。
電池などのエネルギー材料としての評価実験を実施している過程で、本研究では界面での様子を探るために「大面積合成」試料として代表的な電極物質である銅(Cu)結晶表面上のホウ素(B)吸着相を調べてきた。Cu(111)表面において2次元銅ホウ化物(Cu-Boride)の形成をこれまで明らかにできたことから、B/Cuヘテロ界面への理解を深めるためにCu(110)において同様の研究展開をおこなった。その結果、新たな表面相3x’1’-B/Cu(110)を電子回折実験で発見し、本試料表面を詳しく調べることにした。走査型トンネル顕微鏡による観察や高分解能X線光電子分光による分析の結果、本表面において1次元準周期構造を有した銅ホウ化物が形成されていることが分かった。銅ホウ化物の界面相はいずれもホウ素の原子鎖構造を伴っていたため、1次元ホウ素の電子状態について理論研究も展開した。いずれの研究も成果も、論文として発表している。一方、「大量合成」試料としてHBシートを扱ってきたが、機能性の向上を探るために水素吸着や加熱処理を実施した。材料特性にいずれも変化が確認できたので、デバイス性能に対する影響を今後取り扱う。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

本研究で目的としている情報およびエネルギー材料の開発ではホウ素の単原子シートと金属の界面が重要であるが、本物質系はこれまでは未開拓分野であった。しかし、我々の研究によるCu/B界面試料の「大面積合成」を中心に精密分析が実現し、電子状態や原子構造を詳細に明らかにすることができた。その結果、新しい界面物質の発見と共に2次元化合物から1次元原子鎖まで幅広い学理が展開できている。

Strategy for Future Research Activity

本研究で取り扱っている「大面積合成」試料と「大量合成」試料について、前者については予定通り精密測定が実施され多くの成果が得られた。一方、後者については試料合成法の改善が進み、生成物の収率や純度が向上していっている。そして合成実験を通じて試料に対する加熱などの後処理によって不純物の除去などが可能であることも分かってきた。そこで、合成生成物そのものだけでなく、後処理に対する物性評価を実施し、材料としての性能向上を図る。

Assessment Rating
Interim Assessment Comments (Rating)

A-: In light of the aim of introducing the research area into the research categories, the expected progress in research has been made on the whole though a part of it has been delayed.

Report

(7 results)
  • 2023 Abstract (Interim Assessment) ( PDF )   Annual Research Report   Interim Assessment (Comments) ( PDF )
  • 2022 Annual Research Report
  • 2021 Abstract ( PDF )   Comments on the Screening Results ( PDF )   Annual Research Report
  • Research Products

    (46 results)

All 2024 2023 2022 Other

All Int'l Joint Research (3 results) Journal Article (15 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Peer Reviewed: 15 results,  Open Access: 10 results) Presentation (25 results) (of which Int'l Joint Research: 12 results,  Invited: 16 results) Book (2 results) Patent(Industrial Property Rights) (1 results)

  • [Int'l Joint Research] ネバダ大学/カリフォリニア大学(米国)

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  • [Int'l Joint Research] パリ第6大学(フランス)

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    • Author(s)
      Tsujikawa Yuki、Zhang Xiaoni、Yamaguchi Kazuki、Haze Masahiro、Nakashima Takeru、Varadwaj Arpita、Sato Yusuke、Horio Masafumi、Hasegawa Yukio、Komori Fumio、Oshikawa Masaki、Kotsugi Masato、Ando Yasunobu、Kondo Takahiro、Matsuda Iwao
    • Journal Title

      Nano Letters

      Volume: 24 Issue: 4 Pages: 1160-1167

    • DOI

      10.1021/acs.nanolett.3c03861

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    • Author(s)
      Guan Y.、Komori F.、Horio M.、Fukuda A.、Tsujikawa Y.、Ozawa K.、Kamiko M.、Nishio-Hamane D.、Kawauchi T.、Fukutani K.、Tokumoto Y.、Edagawa K.、Tamura R.、Matsuda I.
    • Journal Title

      Japanese Journal of Applied Physics

      Volume: 63 Issue: 3 Pages: 030906-030906

    • DOI

      10.35848/1347-4065/ad2f72

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    • Author(s)
      Hikichi Miwa、Takeshita Junpei、Noguchi Natsumi、Ito Shin‐ichi、Yasuda Yukihiro、Ta Luong Thi、Rojas Kurt Irvin M.、Matsuda Iwao、Tominaka Satoshi、Morikawa Yoshitada、Hamada Ikutaro、Miyauchi Masahiro、Kondo Takahiro
    • Journal Title

      Advanced Materials Interfaces

      Volume: 10 Issue: 25 Pages: 2370074-2370074

    • DOI

      10.1002/admi.202370074

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  • [Journal Article] Probing lithium mobility at a solid electrolyte surface2023

    • Author(s)
      Woodahl Clarisse, Matsuda Iwao et al.,
    • Journal Title

      Nature Materials

      Volume: 22 Issue: 7 Pages: 848-852

    • DOI

      10.1038/s41563-023-01535-y

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    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Effective treatment of hydrogen boride sheets for long‐term stabilization2023

    • Author(s)
      Shin‐ichi Ito, Miwa Hikichi, Natsumi Noguchi, Mei Yuan, Zihao Kang, Kosei Fukuda, Masahiro Miyauchi, Iwao Matsuda, Takahiro Kondo
    • Journal Title

      Physical Chemistry Chemical Physics

      Volume: 25 Issue: 22 Pages: 15531-15538

    • DOI

      10.1039/d3cp01256e

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  • [Journal Article] Resonant photoemission spectroscopy of atomic layer Fe2N on Cu(111) with continuous angular rotation of linearly polarized light2023

    • Author(s)
      Horio M、Kudo Y、Wada T、Sumi T、Hirata Y、Niibe M、Komori F、Matsuda I
    • Journal Title

      Journal of Physics: Condensed Matter

      Volume: 35 Issue: 42 Pages: 425001-425001

    • DOI

      10.1088/1361-648x/ace600

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  • [Journal Article] Accelerated Synthesis of Borophane (HB) Sheets through HCl-Assisted Ion-Exchange Reaction with YCrB42023

    • Author(s)
      Zhang Xiaoni、Hikichi Miwa、Iimori Takushi、Tsujikawa Yuki、Yuan Mei、Horio Masafumi、Yubuta Kunio、Komori Fumio、Miyauchi Masahiro、Kondo Takahiro、Matsuda Iwao
    • Journal Title

      Molecules

      Volume: 28 Issue: 7 Pages: 2985-2985

    • DOI

      10.3390/molecules28072985

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    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Observing an ordered surface phase by B deposition on Cu(110)2023

    • Author(s)
      Tsujikawa Yuki、Zhang Xiaoni、Horio Masafumi、Wada Tetsuya、Miyamoto Masashige、Sumi Toshihide、Komori Fumio、Kondo Takahiro、Matsuda Iwao
    • Journal Title

      Surface Science

      Volume: 732 Pages: 122282-122282

    • DOI

      10.1016/j.susc.2023.122282

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  • [Journal Article] Prediction of a Cyclic Hydrogenated Boron Molecule as a Promising Building Block for Borophane2023

    • Author(s)
      Ando Yasunobu、Nakashima Takeru、Yin Heming、Tateishi Ikuma、Zhang Xiaoni、Tsujikawa Yuki、Horio Masafumi、Cuong Nguyen Thanh、Okada Susumu、Kondo Takahiro、Matsuda Iwao
    • Journal Title

      Molecules

      Volume: 28 Issue: 3 Pages: 1225-1225

    • DOI

      10.3390/molecules28031225

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    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Soft X-ray Absorption/Emission Spectroscopy and Atomic Hydrogen Irradiation Effect of Ammonia Borane2022

    • Author(s)
      Niibe Masahito、Haruyama Yuichi、Heya Akira、Ito Seigo
    • Journal Title

      e-Journal of Surface Science and Nanotechnology

      Volume: 20 Issue: 4 Pages: 226-231

    • DOI

      10.1380/ejssnt.2022-042

    • ISSN
      1348-0391
    • Year and Date
      2022-08-06
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    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Highly dispersed Ni nanoclusters spontaneously formed on hydrogen boride sheets2022

    • Author(s)
      Natsumi Noguchi, Shin-ichi Ito, Miwa Hikichi, Yohei Cho, Kazuho Goto, Atsushi Kubo, Iwao Matsuda, Takeshi Fujita, Masahiro Miyauchi, Takahiro Kondo
    • Journal Title

      Molecules

      Volume: 27 Issue: 23 Pages: 8261-8261

    • DOI

      10.3390/molecules27238261

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    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Carbon dioxide adsorption and conversion to methane and ethane on hydrogen boride sheets2022

    • Author(s)
      Goto Taiga、Ito Shin-ichi、Shinde Satish Laxman、Ishibiki Ryota、Hikita Yasuyuki、Matsuda Iwao、Hamada Ikutaro、Hosono Hideo、Kondo Takahiro
    • Journal Title

      Communications Chemistry

      Volume: 5 Issue: 1

    • DOI

      10.1038/s42004-022-00739-8

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    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Structural and electronic evidence of boron atomic chains2022

    • Author(s)
      Tsujikawa Yuki、Horio Masafumi、Zhang Xiaoni、Senoo Tomoaki、Nakashima Takeru、Ando Yasunobu、Ozaki Taisuke、Mochizuki Izumi、Wada Ken、Hyodo Toshio、Iimori Takushi、Komori Fumio、Kondo Takahiro、Matsuda Iwao
    • Journal Title

      Physical Review B

      Volume: 106 Issue: 20 Pages: 205406-205406

    • DOI

      10.1103/physrevb.106.205406

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  • [Journal Article] Structure of χ3-Borophene Studied by Total-Reflection High-Energy Positron Diffraction (TRHEPD)2022

    • Author(s)
      Tsujikawa Yuki、Shoji Makoto、Hamada Masashi、Takeda Tomoya、Mochizuki Izumi、Hyodo Toshio、Matsuda Iwao、Takayama Akari
    • Journal Title

      Molecules

      Volume: 27 Issue: 13 Pages: 4219-4219

    • DOI

      10.3390/molecules27134219

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    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Environmental effects on layer-dependent dynamics of Dirac fermions in quasicrystalline bilayer graphene2022

    • Author(s)
      Y. Zhao, T. Suzuki, T. Iimori, H.-W. Kim, J. R. Ahn, M. Horio, Y. Sato, Y. Fukaya, T. Kanai, K. Okazaki, S. Shin, S. Tanaka, F. Komori, H. Fukidome and I. Matsuda
    • Journal Title

      Physical Review B

      Volume: 105 Issue: 11 Pages: 1-8

    • DOI

      10.1103/physrevb.105.115304

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    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Presentation] New 2D boron materials: hydrogen boride and boron monosulfide nanosheets2024

    • Author(s)
      Takahiro Kondo
    • Organizer
      The 63rd Sanibel Symposium, Plenary talk, St. Augustine Beach, FL (USA)
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    • Author(s)
      安藤康伸
    • Organizer
      第16回日本ホウ素・ホウ化物研究会
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    • Invited
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      中嶋武、安藤康伸、立石幾真、近藤剛弘、辻川夕貴,堀尾眞史,松田巌
    • Organizer
      第16回日本ホウ素・ホウ化物研究会
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  • [Presentation] Topological Design and Synthesis of a Novel Atomic Sheet of Boron2023

    • Author(s)
      Iwao Matsuda
    • Organizer
      15th European Conference on Surface Crystallography and Dynamics (ECSCD15) and 13th International Conference on the Structure of Surfaces (ICSOS13) (Germany)
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    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Topological Design and Synthesis of a Novel Atomic Sheet2023

    • Author(s)
      Iwao Matsuda
    • Organizer
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  • [Presentation] オペランド X 線分光による界面機能の研究2023

    • Author(s)
      松田巌
    • Organizer
      日本セラミックス協会
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    • Invited
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    • Author(s)
      Takahiro Kondo
    • Organizer
      The 9th Southest Asia Collaborative Symposium on Energy Materials (Institut Teknologi Bandung, ITB, Indonesia)
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    • Int'l Joint Research / Invited
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    • Author(s)
      Takahiro Kondo
    • Organizer
      The 2023 Japan Australia China Korea Singapore (JACKS) Hydrogen Forum, Aerial UTS Function Centre, University of Technology Sydney (UTS), (Sydney, Australia)
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    • Author(s)
      Takahiro Kondo
    • Organizer
      2023 China-Japan International Symposium on Photonic Materials, Courtyard by Marriott Shanghai Minhang, (Shanghai, China),
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    • Int'l Joint Research / Invited
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    • Author(s)
      Takahiro Kondo
    • Organizer
      Gordon Research Conference, Dynamics of Hydrogen in Materials and Molecules, Les Diablerets, VD, (Switzerland)
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    • Author(s)
      松田巌
    • Organizer
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    • Author(s)
      辻川夕貴, 中嶋武, 堀尾眞史, Xiaoni Zhang, 和田哲也, 宮本将成, 飯盛拓嗣, 小森文夫, 田中清尚, 安藤康伸, 近藤剛弘, 松田巌
    • Organizer
      2023年日本物理学会春季大会
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  • [Presentation] ヘリングボーン格子模型を用いた2次元トポロジカル電子状態のホモトピー解析2023

    • Author(s)
      安藤康伸, Xiaoni Zhang, 辻川夕貴, 佐藤祐輔, 堀尾眞史, 春山潤, 杉野修, 近藤剛弘, 松田巌
    • Organizer
      2023年日本物理学会春季大会
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  • [Presentation] カーボンニュートラルに貢献する材料の開発研究2023

    • Author(s)
      近藤剛弘
    • Organizer
      産学連携炭素材料研究
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      X. Zhang, Miwa Hikichi, Takushi Iimori, Yuki Tsujikawa, Masafumi Horio, Kunio Yubuta, Fumio Komori, Masahiro Miyauchi, Takahiro Kondo, and Iwao Matsuda
    • Organizer
      15th ホウ素ホウ化物研究会
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      Takahiro Kondo
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  • [Presentation] Topological Design and Synthesis of a Novel Atomic Sheet of Boron2022

    • Author(s)
      Iwao Matsuda
    • Organizer
      TVS-2022 Annual Symposium
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  • [Presentation] Hydrogen boride sheets and boron monosulfide sheets2022

    • Author(s)
      Takahiro Kondo
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  • [Presentation] Electronic Evolutions of Topological 2D Boron2022

    • Author(s)
      Iwao Matsuda
    • Organizer
      The 22nd International Vacuum Congress (IVC-22)
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  • [Presentation] Electronic topological transition of 2D boron by the ion exchange reaction2022

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      X. Zhang, Y. Tsujikawa, I.Tateishi, M. Niibe, T. Wada, M. Horio, M. Hikichi, Y. Ando, K. Yubuta, T. Kondo, I. Matsuda,
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      The 22nd International Vacuum Congress (IVC-22)
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      2022年日本物理学会秋季大会
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      Iwao Matsuda
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      辻川夕貴, X. Zhang, 堀尾眞史, 松田巌, 望月出海, 和田健, 兵頭俊夫, 近藤 剛弘
    • Organizer
      第14回日本ホウ素・ホウ化物研究発表会
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      辻川 夕貴, Xiaoni Zhang, 堀尾 眞史, 望月 出海, 和田 健, 兵頭 俊夫, 近藤 剛弘, 松田 巌
    • Organizer
      2021年度量子ビームサイエンスフェスタ,第13回MLFシンポジウム,第39回PFシンポジウム
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    • Author(s)
      辻川夕貴、Xiaoni Zhang, 望月出海, 和田健, 兵頭俊夫, 堀尾眞史, 近藤剛弘, 松田巌
    • Organizer
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    • Author(s)
      I. Matsuda, R. Arafune ed.
    • Total Pages
      174
    • Publisher
      Springer
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      I. Matsuda, T. Kondo, J. M Oliva-Enrich ed.
    • Total Pages
      196
    • Publisher
      Mdpi AG
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    • Inventor(s)
      松田巌、山口寛月
    • Industrial Property Rights Holder
      松田巌、山口寛月
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Filing Date
      2023
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URL: 

Published: 2021-07-08   Modified: 2025-04-17  

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