2次元物質単層シートの組成制御によるバンドギャップエンジニアリングの確立

Research Project

Project/Area Number	22K04881
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
Allocation Type	Multi-year Fund
Section	一般
Review Section	Basic Section 28030:Nanomaterials-related
Research Institution	Toho University
Principal Investigator	柳瀬隆東邦大学, 理学部, 講師 (00640765)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	島田敏宏北海道大学, 工学研究院, 教授 (10262148)
Project Period (FY)	2022-04-01 – 2025-03-31
Project Status	Granted (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help	¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000) Fiscal Year 2024: ¥520,000 (Direct Cost: ¥400,000、Indirect Cost: ¥120,000) Fiscal Year 2023: ¥520,000 (Direct Cost: ¥400,000、Indirect Cost: ¥120,000) Fiscal Year 2022: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000)
Keywords	遷移金属ダイカルコゲナイド / 化学気相成長法 / ２次元物質 / バンドギャップエンジニアリング
Outline of Research at the Start	本研究は2次元物質である遷移金属ダイカルコゲナイドを用いて2元系単層シートの組成制御を達成し、バンドギャップ変調を実証する。独自に開発を進めてきた自動ガス供給システム付きの流路分離型化学気相成長装置を用いることで、0.1eV単位でのバンドギャップ制御を可能とする。具体的にはMo1-xHfxS2とW1-xHfxSe2の2元系単層シートを合成し、それぞれについて1.3～1.8eV、0.5～1.3eVの範囲でバンドギャップを制御する。さらに、Raman分光を用いた簡易的組成決定法の開発も行う。
Outline of Annual Research Achievements	本研究は2次元物質である遷移金属ダイカルコゲナイドを用いて2次元物質シートの組成制御を達成し、0.1eV単位でのバンドギャップの変調を実証することが目的である。具体的にはMoS2とHfS2の混晶化により1.3-1.8eVの範囲でバンドギャップを制御する。研究実施計画通りに研究開始直後から自動ガス供給システム付き化学気相蒸着装置(CVD装置)の構築に取り組み、すでに完成している。リークチェックなどを含む動作確認は完了しており、現在では定常的に運転している。初めに、塩化物原料によるMoS2の合成を行ったところ1cm×1cmのサファイア基板上に連続膜を作製することができた。MoS2の合成に取り組む過程で、CVD装置に新たな気化器を導入し、原料ガスの濃度の安定化を図った。気化器の導入により原料の交換回数を減らすことにも成功した。その結果、低コスト化と装置稼働率の向上および再現性の向上を実現できた。現在は混晶化の前段階としてHfS2の合成に取り組んでいる。再現性が低いものの、HfS2の合成にも成功しており六角形ドメインが観察され結晶性の高い多層膜を合成できることを実証した。HfS2の合成に関する内容で2022年秋の応用物理学会で口頭発表を行った。現時点ではHfS2の合成に関して再現性の向上に取り組んでいる。現在は原料ガスラインが1つなので、ラインをもう1本増設して本年度中にMoS2とHfS2の混晶化を実行できるようにする。そして、Mo1-xHfxS2の組成制御によりバンドギャップ変調の実証を行う予定である。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 3: Progress in research has been slightly delayed. Reason 世界的な半導体サプライチェーンの停滞の影響を受けたため、CVD装置の構築に必要なマスフローコントローラーの納品までに時間がかかり、装置の立ち上げ時期が予定よりずれ込んだためである。
Strategy for Future Research Activity	装置の立ち上げ時期は遅れたが、その後の動作確認やMoS2の合成には予定通りのスピードで進展しているため、当初の計画通りに研究を進める。本年度中にMo1-xHfxSを合成し、その組成制御を実証する。