陽電子ビームによるホウ素単原子シートの構造解析と機能性開拓

• Project/Area Number: 22KJ0662
• Project/Area Number (Other): 21J21993 (2021-2022)
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Multi-year Fund (2023); Single-year Grants (2021-2022)
• Section: 国内
• Review Section: Basic Section 29020:Thin film/surface and interfacial physical properties-related
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 辻川 夕貴 東京大学, 理学系研究科, 特別研究員(DC1)
• Project Period (FY): 2023-03-08 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥2,200,000 (Direct Cost: ¥2,200,000); Fiscal Year 2023: ¥700,000 (Direct Cost: ¥700,000); Fiscal Year 2022: ¥700,000 (Direct Cost: ¥700,000); Fiscal Year 2021: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000)
• Keywords: ホウ素 / 二次元表面 / ホウ化銅 / 一次元構造 / ホウ素化合物 / Borophene / Boride / 一次元 / 原子層 / ボロフェン / ボライド

Outline of Research at the Start

ホウ素は4つの軌道と3つの電子をもつことから様々な形の結合を組み、多彩な原子構造をとり得る。これは低次元のホウ素物質についてもいえ、原子層ながら多彩な構造とそれに由来する物性を示す二次元ホウ素物質が近年注目を浴びている。本研究では、様々な金属基板上にホウ素を蒸着することで新たな試料を作製し、その構造を研究している。例えばAg(111)基板上ではホウ素単原子層である"Borophene"が作製されるが、Cu(111)基板上ではホウ素と銅の化合物である"Cu-Boride"が作製されることが分かった。さらに、構造のみではなく電子物性の測定も行い、試料の構造と機能特性の相関を明らかにしている。

Outline of Annual Research Achievements

本課題では近年注目を集めている二次元ホウ素物質に着目し、多彩な構造をとるこれらホウ素物質群を全反射高速陽電子回折法(TRHEPD法)という手法を用いて実験的に直接、構造を解明することを目指して開始された。ホウ素は多彩な結合をとることから、様々な構造を安定してとり得ることが知られる。二次元のホウ素物質もその例にもれず、多彩な構造が計算上安定して存在しうり、走査型トンネル顕微鏡(STM)などの実空間上の電子状態の観測だけでは、その構造を絞りこめないという難しさがあった。本課題で回折法を用いて直接、原子構造を観測することにより、議論のあったCu(111)基板上のホウ素表面の構造を決定するとともに、新たなホウ素表化合物の物理を開拓するにいたった。
本研究では三つのCu基板、Cu(111)、Cu(100)、及びCu(110)基板上のホウ素表面について研究を行った。Cu(111)基板上のホウ素表面はSTMによる先行研究により、単原子層であるBoropheneモデルと、表面でCu原子と再構成を起こすCu-Borideモデルの二つのモデルの間でどちらが正しい構造が議論されていたが、本課題でのTRHEPD測定によって、Cu-Borideモデルが正しいことが判明し、その後の考察で、構造内の一次元ホウ素鎖が電子ドープされ構造の安定性に寄与しているというBumuleneモデルを我々は提案した。このホウ化銅の発見を受けて、他のCu基板においてもホウ素表面合成を行い、Cu(110)基板において新たな二次元秩序相を発見するにいたった。この3×1-B/Cu(110)表面をSTMにより観察したところ、異方的に成長する一次元構造をしており、その内部構造は通常の並進対称性を示さない準周期的な構造を示した。このように、低次元ホウ化物は今後もさらなる物理の探索が期待される。

Research Products

• [Journal Article] Quasi-Periodic Growth of One-Dimensional Copper Boride on Cu(110) (2024)
  • 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
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Structure and Electronic State of Boron Atomic Chains on a Noble Metal (111) Surface (2023)
  • Author(s): Tsujikawa Yuki、Zhang Xiaoni、Horio Masafumi、Komori Fumio、Nakashima Takeru、Ando Yasunobu、Kondo Takahiro、Matsuda Iwao
  • Journal Title: e-Journal of Surface Science and Nanotechnology Volume: 22 Issue: 1 Pages: 1-8
  • DOI: 10.1380/ejssnt.2023-058
  • ISSN: 1348-0391
  • Year and Date: 2023-09-07
  • Peer Reviewed / Open Access
• [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
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Structural and electronic evidence of boron atomic chains (2022)
  • 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
  • Peer Reviewed
• [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
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Cu(110)基板上の新規ホウ化銅表面の研究 (2024)
  • Author(s): 辻川夕貴、Xiaoni Zhang、中嶋武、土師将裕、Arpita Varadwaj、山口寛月、佐藤祐輔、堀尾眞史、長谷川幸雄、小森文夫、押川正毅、小嗣真人、安藤康伸、近藤剛弘、松田巌
  • Organizer: 第16回 日本ホウ素・ホウ化物研究会
• [Presentation] Study of a novel copper boride surface on Cu(110) with a one-dimensional quasi-periodic growth (2024)
  • Author(s): Yuki Tsujikawa, Xiaoni Zhang, Kazuki Yamaguchi, Masahiro Haze, Takeru Nakashima, Arpita Varadwaj, Yusuke Sato, Masafumi Horio, Yukio Hasegawa, Fumio Komori, Masaki OshikawaA, Masato Kotsugi, Yasunobu Ando, Takahiro Kondo, and Iwao Matsuda
  • Organizer: NanospecFY2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 2021T002: TRHEPD法による銅基板上の大面積ホウ素原子シート、ボロフェンの構造解明(最終年度) (2024)
  • Author(s): 辻川夕貴, Xiaoni Zhang, 堀尾眞史, 中嶋武, 安藤康伸, 望月出海, 和田健, 兵頭俊夫, 小森文夫, 近藤剛弘, 松田巌
  • Organizer: 2023年度量子ビームサイエンスフェスタ
• [Presentation] Observation of unexpected 2D copper boride at a surface and exploration of exotic states in the internal 1D boron (2023)
  • Author(s): Yuki Tsujikawa, Iwao Matsuda
  • Organizer: Annual Meeting of the Japan Society of Vacuum and Surface Science 2023
  • Invited
• [Presentation] 鎖状ホウ素を含む基板上二次元ホウ素化合物の電子状態の研究 (2023)
  • 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: 日本物理学会第78回年次大会
• [Presentation] 2021T002: TRHEPD法による銅基板上の大面積ホウ素原子シート、ボロフェンの構造解明(2年度) (2023)
  • Author(s): 辻川夕貴, Xiaoni Zhang, 堀尾眞史, 中嶋武, 安藤康伸, 望月出海, 和田健, 兵頭俊夫, 小森文夫, 近藤剛弘, 松田巌
  • Organizer: 2022年度量子ビームサイエンスフェスタ
• [Presentation] 一次元ホウ素原子鎖を含む表面二次元ホウ化銅の研究 (2023)
  • Author(s): 辻川夕貴, X. Zhang, 堀尾眞史, 小森文夫, 松田巌,中嶋武, 安藤康伸,望月出海, 和田健, 兵頭俊夫,近藤剛弘
  • Organizer: 第15回日本ホウ素・ホウ化物研究会
• [Presentation] Cu(111)表面上の二次元ホウ化物の電子状態の研究 (2023)
  • 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: 日本表面真空学会2023年度関東支部講演大会
• [Presentation] Cu(111)基板上のホウ素原子鎖についての研究 (2022)
  • Author(s): 辻川夕貴, 堀尾眞史, Xiaoni Zhang, 妹尾共晃, 中嶋武, 安藤康伸, 尾崎泰助, 望月出海, 和田健, 兵頭俊夫, 飯盛拓嗣, 小森文夫, 近藤剛弘, 松田巌
  • Organizer: 2022年日本物理学会秋季大会
• [Presentation] Structural and electronic evidence of boron atomic chains on Cu boride surface (2022)
  • Author(s): Yuki Tsujikawa, Masafumi Horio, Xiaoni Zhang, Tomoaki Senoo, Takeru Nakashima, Yasunobu Ando, Taisuke Ozaki, Izumi Mochizuki, Ken Wada, Toshio Hyodo, Takushi Iimori, Fumio Komori, Takahiro Kondo and Iwao Matsuda
  • Organizer: The 92nd IUVSTA workshop on Advanced Spectroscopy and Transport for 2D Materials at Surfaces and The 4th Asia-Pacific Symposium on Solid Surfaces (APSSS-4)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Cu(111)基板上の二次元ホウ化銅の研究 (2022)
  • Author(s): 辻川夕貴, Xiaoni Zhang, 妹尾共晃, 堀尾眞史, 望月出海, 和田健, 兵頭俊夫, 近藤剛弘, 松田巌
  • Organizer: 日本表面真空学会2022年度関東支部講演大会
• [Presentation] 二次元ホウ化銅の構造研究 (2022)
  • Author(s): 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: 第14回日本ホウ素・ホウ化物研究会
• [Presentation] Cu(111)基板上ホウ素の二次元物質の構造決定 (2022)
  • Author(s): 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: 日本物理学会第77回年次大会
• [Presentation] 単層ホウ素シートボロフェンの成長様式全反射高速陽電子回折法を用いた構造モデルの探索 (2021)
  • Author(s): 辻川夕貴, 庄司誠, 濱田雅史, 武田朋也, 飯盛拓嗣, 望月出海, 小森文夫, 松田巌, 高山あかり
  • Organizer: 日本物理学会2021年度秋季大会
• [Presentation] Epitaxial growth and structure determination of borophene on Ag(111) (2021)
  • Author(s): Y. Tsujikawa, M. Shoji, M. Hamada, T. Takeda,T. Iimori, I. Mochizuki, F. Komori, I. Matsuda and A. Takayama
  • Organizer: The 9th International Symposium on Surface Science (ISSS-9)
  • Int'l Joint Research