Large-scale heterostructures of atomic layer materials

• Project/Area Number: 21K14484
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 28020:Nanostructural physics-related
• Research Institution: University of Tsukuba
• Principal Investigator: 丸山 実那 筑波大学, 数理物質系, 助教 (00802951)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000); Fiscal Year 2024: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2023: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2022: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2021: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
• Keywords: 原子層物質 / ヘテロ構造 / モアレ構造 / 遷移金属カルコゲン化合物 / グラフェン / 電子状態 / vdWヘテロ構造 / 面内ヘテロ構造 / バッキーボウル

Outline of Research at the Start

本研究では、量子論に立脚した計算物質科学の手法を用いて、原子層物質からなる複合構造体の構造探索を解明する。特に、界面/境界の構造に着目し、積層型複合構造体では格子整合性と歪みの緩和の観点から、接合型複合構造体では結合形状の観点から安定構造を探索する。さらに、二次元原子層物質の「鉛直方向の柔らかさ」に着目した、鉛直方向に自由度を含む「2+α次元」/「1+α次元」の界面/境界構造の探索とその物性解明をおこない、「+α次元」の界面/境界科学の創成を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

2023年度では、原子層物質の面内ヘテロ構造からなる多層系の電子状態を明らかにした。同時に、電場印加下のグラフェン薄膜の安定構造の探索を行なった。
原子層物質の面内ヘテロ構造からなる多層系の電子状態は、ヘテロ構造由来の電子状態に加えて、積層構造に依存することを示した。一次元境界を有するMoS2/WS2面内ヘテロ構造が積層した二層系は、上下層の遷移金属間の相対配置に関して、Mo-Mo、W-W、Mo-Wといった三つの積層領域を有する。二層MoS2/WS2面内ヘテロ構造は、これら遷移金属の相対配置に依存した各領域で異なる電子状態を有する。この電子状態の変調を反映して、系へのキャリア注入によって、キャリア分布の次元性を注入キャリア濃度によって制御可能なことを示唆した。一次元の炭素六員環ネットワークが埋め込まれたhBNの多層系では、hBN領域の積層構造に依存した電子状態を明らかにした。hBN領域の積層構造、すなわち各シート有する静電ポテンシャルの違いに依存してバンドギャップ近傍の状態が変調し、一次元あるいは積層系全体に拡がった波動関数の分布を示す。
電場印加下のグラフェン薄膜は、モアレ超格子を形成する可能性を予言した。ホール注入されたグラフェンの炭素結合が伸長することを明らかにした。注入ホール濃度の増加に伴い、炭素間距離は増加する。また、シングルゲートFET構造中のグラフェン薄膜の蓄積キャリアはシート鉛直方向に非対称な分布を示す。これらのことから、シート鉛直方向に非対称な蓄積ホール分布がグラフェン薄膜で誘起されると、蓄積ホール濃度の高いグラフェン層は大きく伸長し、蓄積ホール濃度の低い層の伸長が小さいといった層間で異なる構造変調が期待される。すなわち、ホール注入下のグラフェン薄膜は、モアレ構造を形成する可能性を期待できる。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

これまでに、原子層物質からなる各種ヘテロ構造の構造ならびに電子状態の解明を行なった。同時に、原子層物質の歪みを含んだ構造ならびに電子状態の解明を行なった。すなわち、次年度では、本課題の目的である構成物質種と歪みを包含した新奇ナノ構造の探索と電子状態の解明を行うための準備がおおむねできている。

Strategy for Future Research Activity

これまでに明らかにした、原子層物質からなる各種ヘテロ構造の構造、ならびに原子層物質の歪みを含んだ構造をもとに、ヘテロ構造と歪み構造を含む新奇ナノ構造の探索を行い、その電子状態を解明する。

Research Products

• [Journal Article] Trans-dimensionality of electron/hole channels in multilayer in-plane heterostructures comprising graphene and hBN superlattice (2024)
  • Author(s): Zhang Hui、Gao Yanlin、Maruyama Mina、Okada Susumu
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 63 Issue: 1 Pages: 015004-015004
  • DOI: 10.35848/1347-4065/ad1718
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Structural modulation of bilayer graphene under an external electric field and carrier doping (2024)
  • Author(s): Sultana Nadia、Gao Yanlin、Maruyama Mina、Okada Susumu
  • Journal Title: Applied Physics Express Volume: 17 Issue: 3 Pages: 035001-035001
  • DOI: 10.35848/1882-0786/ad2ecc
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Gate-Induced Trans-Dimensionality of Carrier Distribution in Bilayer Lateral Heterosheet of MoS2 and WS2 for Semiconductor Devices with Tunable Functionality (2023)
  • Author(s): Maruyama Mina、Ichinose Nanami、Gao Yanlin、Liu Zheng、Kitaura Ryo、Okada Susumu
  • Journal Title: ACS Applied Nano Materials Volume: 6 Issue: 7 Pages: 5434-5439
  • DOI: 10.1021/acsanm.2c05561
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Electronic structure of graphene thin films under a perpendicular electric field (2023)
  • Author(s): Sultana Nadia、Maruyama Mina、Gao Yanlin、Okada Susumu
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 62 Issue: 7 Pages: 075001-075001
  • DOI: 10.35848/1347-4065/acde66
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Experimental verification of SO2 and S desorption contributing to defect formation in MoS2 by thermal desorption spectroscopy (2023)
  • Author(s): Li Shuhong、Nishimura Tomonori、Maruyama Mina、Okada Susumu、Nagashio Kosuke
  • Journal Title: Nanoscale Advances Volume: 5 Issue: 2 Pages: 405-411
  • DOI: 10.1039/d2na00636g
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Formation of a one-dimensional hole channel in MoS2 by structural corrugation (2023)
  • Author(s): Gao Yanlin、Nakajima Haruna、Maruyama Mina、Taniguchi Takashi、Watanabe Kenji、Kitaura Ryo、Okada Susumu
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 62 Issue: 1 Pages: 015001-015001
  • DOI: 10.35848/1347-4065/acaae0
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Electronic structure of covalent networks of triangular graphene flakes embedded in hBN (2023)
  • Author(s): Zhang Hui、Maruyama Mina、Gao Yanlin、Okada Susumu
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 62 Issue: 2 Pages: 025001-025001
  • DOI: 10.35848/1347-4065/acb51d
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Observation of the photovoltaic effect in a van der Waals heterostructure (2023)
  • Author(s): Zhang Shaochun、Maruyama Mina、Okada Susumu、Xue Mengsong、Watanabe Kenji、Taniguchi Takashi、Hashimoto Kazuki、Miyata Yasumitsu、Canton-Vitoria Ruben、Kitaura Ryo
  • Journal Title: Nanoscale Volume: 15 Issue: 12 Pages: 5948-5953
  • DOI: 10.1039/d2nr06616e
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Multilayer In-Plane Heterostructures Based on Transition Metal Dichalcogenides for Advanced Electronics (2023)
  • Author(s): Ogura Hiroto、Kawasaki Seiya、Liu Zheng、Endo Takahiko、Maruyama Mina、Gao Yanlin、Nakanishi Yusuke、Lim Hong En、Yanagi Kazuhiro、Irisawa Toshifumi、Ueno Keiji、Okada Susumu、Nagashio Kosuke、Miyata Yasumitsu
  • Journal Title: ACS Nano Volume: 17 Issue: 7 Pages: 6545-6554
  • DOI: 10.1021/acsnano.2c11927
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Unconventional gapless semiconductor in an extended martini lattice in covalent honeycomb materials (2023)
  • Author(s): Mizoguchi Tomonari、Gao Yanlin、Maruyama Mina、Hatsugai Yasuhiro、Okada Susumu
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 107 Issue: 12
  • DOI: 10.1103/physrevb.107.l121301
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] All carbon p-n border in bilayer graphene by the molecular orientation of intercalated corannulene (2022)
  • Author(s): Maruyama Mina、Okada Susumu
  • Journal Title: Journal of Applied Physics Volume: 131 Issue: 13 Pages: 134303-134303
  • DOI: 10.1063/5.0083616
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Electrostatic properties of two-dimensional C60 polymer thin films under an external electric field (2022)
  • Author(s): Gao Yanlin、Maruyama Mina、Okada Susumu
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 61 Issue: 7 Pages: 075004-075004
  • DOI: 10.35848/1347-4065/ac7762
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Twist Angle-Dependent Molecular Intercalation and Sheet Resistance in Bilayer Graphene (2022)
  • Author(s): Araki Yuji、Solis-Fernandez Pablo、Lin Yung-Chang、Motoyama Amane、Kawahara Kenji、Maruyama Mina、Gao Yanlin、Matsumoto Rika、Suenaga Kazu、Okada Susumu、Ago Hiroki
  • Journal Title: ACS Nano Volume: 16 Issue: 9 Pages: 14075-14085
  • DOI: 10.1021/acsnano.2c03997
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Continuous Color‐Tunable Light‐Emitting Devices Based on Compositionally Graded Monolayer Transition Metal Dichalcogenide Alloys (2022)
  • Author(s): Pu Jiang、Ou Hao、Yamada Tomoyuki、Wada Naoki、Naito Hibiki、Ogura Hiroto、Endo Takahiko、Liu Zheng、Irisawa Toshifumi、Yanagi Kazuhiro、Nakanishi Yusuke、Gao Yanlin、Maruyama Mina、Okada Susumu、Shinokita Keisuke、Matsuda Kazunari、Miyata Yasumitsu、Takenobu Taishi
  • Journal Title: Advanced Materials Volume: 34 Issue: 44 Pages: 2203250-2203250
  • DOI: 10.1002/adma.202203250
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] A two-dimensional magnetic carbon allotrope of hexagonally arranged fused pentagons (2022)
  • Author(s): Maruyama Mina、Gao Yanlin、Thanh Cuong Nguyen、Okada Susumu
  • Journal Title: Applied Physics Express Volume: 15 Issue: 3 Pages: 035001-035001
  • DOI: 10.35848/1882-0786/ac55e8
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Geometric and Electronic Structures of Spiro-graphene Comprising Fused Pentagons and Octagons (2022)
  • Author(s): Okada Susumu、Cuong Nguyen Thanh、Gao Yanlin、Maruyama Mina
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 91 Issue: 2 Pages: 024602-024602
  • DOI: 10.7566/jpsj.91.024602
  • NAID: 120007193852
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Continuous Fermi level tuning of Nb-doped WSe2 under an external electric field (2021)
  • Author(s): Hisama Kaoru、Gao Yanlin、Maruyama Mina、Kitaura Ryo、Okada Susumu
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 61 Issue: 1 Pages: 015002-015002
  • DOI: 10.35848/1347-4065/ac3726
  • NAID: 120007193866
  • Peer Reviewed
• [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] Spiro-graphene: A two-dimensional metallic carbon allotrope of fused pentagons (2021)
  • Author(s): Okada Susumu、Cuong Nguyen Thanh、Gao Yanlin、Maruyama Mina
  • Journal Title: Carbon Volume: 185 Pages: 404-409
  • DOI: 10.1016/j.carbon.2021.09.033
  • NAID: 120007169661
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Geometric structure and piezoelectric polarization of MoS2 nanoribbons under uniaxial strain (2021)
  • Author(s): Maruyama Mina、Gao Yanlin、Yamanaka Ayaka、Okada Susumu
  • Journal Title: FlatChem Volume: 29 Pages: 100289-100289
  • DOI: 10.1016/j.flatc.2021.100289
  • NAID: 120007169653
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Indirect-to-direct band gap crossover of single walled MoS nanotubes (2021)
  • Author(s): Kaoru Hisama, Mina Maruyama, Shohei Chiashi, Shigeo Maruyama and Susumu Okada
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 60 Issue: 6 Pages: 065002-15
  • DOI: 10.35848/1347-4065/abffc6
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Photoluminescence from Single-Walled MoS2 Nanotubes Coaxially Grown on Boron Nitride Nanotubes (2021)
  • Author(s): Ming Liu, Kaoru Hisama, Yongjia Zheng, Mina Maruyama, Seungju Seo, Anton Anisimov, Taiki Inoue, Esko I. Kauppinen, Susumu Okada, Shohei Chiashi, Rong Xiang, and Shigeo Maruyama
  • Journal Title: ACS Nano Volume: 15 Issue: 5 Pages: 8418-8426
  • DOI: 10.1021/acsnano.0c10586
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Geometric and electronic structures of in-plane heterosheets consisting of WSe2 and Janus WSSe (2024)
  • Author(s): Mina Maruyama, Susumu Okada, abd Yanlin Gao
  • Organizer: The 66th Fullerenes-Nanotubes-Graphene General Symposium
• [Presentation] 鉛直電場下の層状物質の安定構造と電子状態 (2024)
  • Author(s): 丸山実那, Nadia Sultana, 岡田晋
  • Organizer: 日本物理学会2024年春季大会
• [Presentation] WSe2とヤヌスWSSeからなる面内ヘテロ構造の電子物性解明 (2024)
  • Author(s): 丸山 実那、岡田 晋、高 燕林
  • Organizer: 2024年第71回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Field-induced structural modulation of WS2 thin films (2023)
  • Author(s): Mina Maruyama
  • Organizer: The 65th Fullerenes-Nanotubes-Graphene General Symposium
  • Invited
• [Presentation] 鉛直電場が誘起する二層WS2モアレ構造 (2023)
  • Author(s): 丸山実那、岡田晋
  • Organizer: 2023年第84回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] Ferroelectric properties of hexagonal boron nitride thin films (2023)
  • Author(s): Mina Maruyama and Susumu Okada
  • Organizer: 36th International Microprocesses and Nanotechnology Conference (MNC 2023)
• [Presentation] Electronic-state tuning of WS2 by sumanene adsorption (2023)
  • Author(s): Mina Maruyama
  • Organizer: The 64th Fullerenes-Nanotubes-Graphene General Symposium
• [Presentation] スマネン分子吸着による遷移金属カルコゲン化合物の電子状態変調 (2023)
  • Author(s): 丸山実那
  • Organizer: 第70階応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 遷移金属カルコゲン化合物薄膜の静電特性の積層構造依存性 (2023)
  • Author(s): 丸山実那
  • Organizer: 日本物理学会2023年春季大会
• [Presentation] 複合構造の低次元物質の物性制御 (2022)
  • Author(s): 丸山実那
  • Organizer: 物性研究所スパコン共同利用・CCMS 合同研究会「計算物質化学の新展開」
  • Invited
• [Presentation] 遷移金属カルコゲン化合物ヘテロ構造体の電子物性 (2022)
  • Author(s): 丸山実那
  • Organizer: シリコン材料・デバイス研究会(SDM)「MOS デバイス・メモリ・パワーデバイス高性能化ー材料・ プロセス技術」
  • Invited
• [Presentation] vdWヘテロ構造体の電子物性 (2022)
  • Author(s): 丸山実那
  • Organizer: 第11回フラーレン・ナノチューブ・グラフェン若手研究会
  • Invited
• [Presentation] Electrostatic properties of thin films of atomic layer materials (2022)
  • Author(s): Mina Maruyama
  • Organizer: The 63rd Fullerenes-Nanotubes-Graphene General Symposium
• [Presentation] 二層原子層物質の静電ポテンシャル差の積層構造依存性の解明 (2022)
  • Author(s): 丸山実那
  • Organizer: 日本物理学会2022年秋季大会
• [Presentation] 原子層物質の誘電特性の積層構造依存性 (2022)
  • Author(s): 丸山実那
  • Organizer: 第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] Gate-dependent carrier distribution in in-plane heterostructures of MoS2 and WS2 (2022)
  • Author(s): Mina Maruyama
  • Organizer: MNC2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Electronic structure of bilayer MoS2/WS2 with checkerboard interlayer metal arrangement (2022)
  • Author(s): Mina Maruyama, Nanami Ichinose, Ryo Kitaura, Yanlin Gao, Susumu Okada
  • Organizer: The 62st Fullerenes-Nanotubes-Graphene General Symposium
• [Presentation] キャリアをドープしたMoS2/WS2面内ヘテロ構造体の蓄積キャリア分布 (2022)
  • Author(s): 丸山 実那、一瀬 七海、北浦 良、岡田 晋
  • Organizer: 第69回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 原子吸着による五員環ネットワーク物質の物性制御 (2022)
  • Author(s): 丸山 実那、溝口 知成、初貝 安弘、岡田 晋
  • Organizer: 日本物理学会第77回年次大会（2022年）
• [Presentation] Energetics of bilayer hexagonal boron nitride nanoflakes: A nucleation process of a second layer on a substrate layer (2021)
  • Author(s): Mina Maruyama, Susumu Okada
  • Organizer: The 61st Fullerenes-Nanotubes-Graphene General Symposium
• [Presentation] コラニュレンとグラフェンからなる積層ヘテロ系の構造と電子状態 (2021)
  • Author(s): 丸山 実那、岡田 晋
  • Organizer: 第82回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] コラニュレン分子と二層グラフェンからなる複合系の構造と電子状態 (2021)
  • Author(s): 丸山 実那、岡田 晋
  • Organizer: 日本物理学会2021年秋季大会