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Research on synthesis of graphene-hBN based multi-heterostructure and the development of its applications

Research Project

Project/Area Number 22K14141
Research Category

Grant-in-Aid for Early-Career Scientists

Allocation TypeMulti-year Fund
Review Section Basic Section 18010:Mechanics of materials and materials-related
Research InstitutionTokyo Institute of Technology

Principal Investigator

平田 祐樹  東京工業大学, 科学技術創成研究院, 助教 (90779068)

Project Period (FY) 2022-04-01 – 2025-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000)
Fiscal Year 2024: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Fiscal Year 2022: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000)
KeywordshBN / グラフェン / 物理気相成長法 / ファンデルワールスヘテロ構造 / vdWH / PVD / TEM / XPS / hBNナノシート / マルチヘテロ構造
Outline of Research at the Start

グラフェンやhBNナノシートの優れた特性を幅広い産業界に応用展開するためには、高品質かつ高スループットな合成を可能にする革新的手法の開発が必須である。またさらに、グラフェンとhBNナノシートを互いに組み合わせて得られる、接合・積層型ナノシート構造は、ナノ構造新機能デバイスの設計自由度を飛躍的に向上することが期待されているものの、確立された合成技術は皆無である。そこで本研究では、グラフェンとhBNナノシートそれぞれの合成技術を互いに組み合わせた、接合・積層型構造のシームレスな合成技術の開発を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

グラフェンや六方晶窒化ホウ素ナノシート(Hexagonal boron nitride:hBN)をはじめとする2次元材料は、従来のバルク物質とは異なる特性・構造を持つことで、従来材料の特性を凌駕する機能を発現することが可能であり、新規材料や革新デバイス・ナノシステムの開発につながることが期待されている。これら2次元材料は構造および特性が確定しており、かつ、原子レベルでの膜厚制御が可能なことから、互いに接合・積層させたヘテロストラクチャーとすることにより、新構造・新原理デバイスを設計する際のビルディングブロックとしての有効性も期待されている。
2023年度はhBNとグラフェンの合成条件の最適化を行った。hBNについては従来の基板材料をCuからNiにすることで結晶構造の飛躍的な向上が確認できた。Niの場合Cuに比べて格子ミスマッチが小さいことと、融点が高いためhBN構造の結晶化温度が高いより高温条件下での合成が可能であることが理由と考えられる。グラフェンに関しては、FCVA法によりNiにカーボンイオンを注入しポストアニーリングすることで、高い結晶性を有するナノシート構造が合成されることが分かった。
一方、hBNとグラフェンを組み合わせたファンデルワールスヘテロ構造(van der Waals Heterostructure)の合成についても試みたが、下層の構造が上層の成膜時に破壊されてしまうため実現できなかった。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

hBNとグラフェンの最適な合成条件を見出すことには成功した。それぞれの二次元材料の品質はラマン分光分析、X線分析、TEM観察により確認済みであり、世界第一線の研究報告例と同程度の品質を有していることがわかっている。またさらには、これらの研究報告例では1層あたり1時間で合成されることが通例であるが、我々の合成手法(SAHP:Sputtering-Annealing Hybrid Process)法では1層あたり1分の超高速での合成が可能であることに大きな特徴があり。しかしながら二次元材料を組み合わせたvdWHの実現にはまだ課題があるため2024年度の課題としたい。

Strategy for Future Research Activity

hBN、グラフェン以外の他の二次元材料の合成実験を行う。具体的にはMoS2などに代表されるTMDCを検討している。そしてこれらを組み合わせたvdWHの実現を目指していく。vdWHの実現のためには、各種二次元材料の合成条件の最適化だけでは不十分である。そこで2024年度は合成条件を検討するための実験的アプローチだけでなく、二次元材料間の界面に作用する複雑な化学的作用や物理的現象を明らかにするために理論計算にも着手していく。計算手法としては分子動力学シミュレーションと第一原理計算をカップリングしたマルチスケールシミュレーションである。計算には本学所有のスーパーコンピュータ(TSUBAME)を使用する。

Report

(2 results)
  • 2023 Research-status Report
  • 2022 Research-status Report
  • Research Products

    (15 results)

All 2023 2022 Other

All Int'l Joint Research (1 results) Journal Article (2 results) (of which Peer Reviewed: 2 results) Presentation (11 results) (of which Int'l Joint Research: 6 results) Book (1 results)

  • [Int'l Joint Research] Manchester Metropolitan University/Manchester Fuel Cell Innovation Centre(英国)

    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Journal Article] Developing a Synthesis Process for Large-scale h-BN Nanosheets Using Magnetron Sputtering and Heat Annealing2023

    • Author(s)
      Yuki Hirata, Kanta Yoshii, Mikito Yoshizato, Hiroki Akasaka, Naoto Ohtake
    • Journal Title

      Advanced Engineering Material

      Volume: 25 Issue: 23 Pages: 2300933-2300933

    • DOI

      10.1002/adem.202300933

    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Characterization of structural and mechanical properties of DLC films deposited on the surface of minute-scale 3D objects: Comparison of PECVD and FCVA deposition technique2023

    • Author(s)
      Yuki Hirata, Kotaro Kawai, Toyohiro Kato, Hayata Fujimoto, Yuto Tameno, Takumi Ishikawa, Hiroshige Matsuoka, Hiroki Akasaka, Naoto Ohtake
    • Journal Title

      Surface and Coatings Technology

      Volume: 460 Pages: 129401-129401

    • DOI

      10.1016/j.surfcoat.2023.129401

    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Effect of the incident behavior of carbon ions on the film properties deposited on the three-dimensional object by FCVA method2023

    • Author(s)
      Yuto Tameno, Yuki Hirata, Takumi Ishikawa, Takeharu Motokawa, Noriko IIda, Hiroki Akasaka, Naoto Ohtake, Hiroshige Matsuoka
    • Organizer
      33rd International Conference on Diamond and Carbon Materials
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Magnetron sputter deposited hexagonal boron nitride nanosheets for use of proton exchange membrane fuel cells2023

    • Author(s)
      Yuki Hirata, Kanta Yoshii, Justyna Kulczyk-Malecka, Yagya Regmi, Akira Takahashi, Hiroki Akasaka, Naoto Ohtake
    • Organizer
      33rd International Conference on Diamond and Carbon Materials
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Characterization of carbon-based nanomaterials precipitated on metal surface via thermal annealing process2023

    • Author(s)
      Kasumi Tsutsumi, Yuki Hirata, Hiroki Akasaka, Naoto Ohtake
    • Organizer
      33rd International Conference on Diamond and Carbon Materials
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Synthesis of BCN-based nanosheets by SiC pyrolysis and magnetron sputtering methods2023

    • Author(s)
      Hayata Fujimoto, Yuki Hirata, Kanta Yoshii, Takumi Ishikawa, Hiroki Akasaka, Naoto Ohtake, Hiroshige Matsuoka
    • Organizer
      33rd International Conference on Diamond and Carbon Materials
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] FCVA法によるta-C膜の三次元コーティング技術の開発2023

    • Author(s)
      為野悠人, 平田祐樹, 石川功, 赤坂大樹, 大竹尚登, 松岡広成
    • Organizer
      第37回ダイヤモンドシンポジウム
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] FCVA 法による ta-C 膜の3Dコーティング(炭素イオンの入射挙動が膜に及ぼす影響評価)2023

    • Author(s)
      為野悠人, 平田祐樹, 石川功, 赤坂大樹, 大竹尚登, 松岡広成
    • Organizer
      トライボロジー会議2023 春 東京
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] 真空加熱処理によるBCN系ナノシートの新規合成手法の開発2023

    • Author(s)
      藤本隼汰, 吉井寛太, 平田祐樹, 石川功, 赤坂大樹, 大竹尚登, 松岡広成
    • Organizer
      トライボロジー会議2023 春 東京,
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] マグネトロンスパッタリングを用いたhBNナノシートの合成及び構造評価2023

    • Author(s)
      吉井寛太, 吉里樹人, 平田祐樹, 赤坂大樹, 大竹尚登
    • Organizer
      2023年度精密工学会春季大会学術講演会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] Structural Analysis of Few-Atomic Layered Hexagonal Boron Nitride Nanosheets Synthesized with Magnetron Sputtering and Heat Annealing Process2022

    • Author(s)
      Yuki Hirata, Kanta Yoshii, Mikito Yoshizato, Hiroki Akasaka, Naoto Ohtake
    • Organizer
      Pacific Rim Symposium on Surfaces, Coatings and Interfaces 2022
    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Synthesis of hexagonal boron nitride nanosheets structure with magnetron sputtering and thermal annealing process2022

    • Author(s)
      Yuki Hirata, Kanta Yoshii, Mikito Yoshizato, Hiroki Akasaka, Naoto Ohtake
    • Organizer
      32nd International Conference on Diamond and Carbon Materials
    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] マグネトロンスパッタリングを用いたhBNナノシートの合成及び構造評価2022

    • Author(s)
      吉井寛太, 吉里樹人, 平田祐樹, 赤坂大樹, 大竹尚登
    • Organizer
      2023年度精密工学会春季大会学術講演会
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Book] PECVDおよびFCVA成膜法による三次元部材へのDLC成膜と特性評価2023

    • Author(s)
      為野悠人, 平田祐樹
    • Total Pages
      3
    • Publisher
      メカニカル・サーフェス・テック
    • Related Report
      2023 Research-status Report

URL: 

Published: 2022-04-19   Modified: 2024-12-25  

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