二次元ヘテロ構造のナノスケール分析とその応用展開

• Project/Area Number: 22KK0071
• Research Category: Fund for the Promotion of Joint International Research (Fostering Joint International Research (B))
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 28:Nano/micro science and related fields
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 桑原 裕司 大阪大学, 大学院工学研究科, 教授 (00283721)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 服部 卓磨 大阪大学, 大学院工学研究科, 助教 (10876965) ; 濱本 雄治 岡山県立大学, 情報工学部, 准教授 (30584734)
• Project Period (FY): 2022-10-07 – 2027-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥20,280,000 (Direct Cost: ¥15,600,000、Indirect Cost: ¥4,680,000); Fiscal Year 2026: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000); Fiscal Year 2025: ¥5,070,000 (Direct Cost: ¥3,900,000、Indirect Cost: ¥1,170,000); Fiscal Year 2024: ¥5,070,000 (Direct Cost: ¥3,900,000、Indirect Cost: ¥1,170,000); Fiscal Year 2023: ¥5,070,000 (Direct Cost: ¥3,900,000、Indirect Cost: ¥1,170,000); Fiscal Year 2022: ¥520,000 (Direct Cost: ¥400,000、Indirect Cost: ¥120,000)
• Keywords: 二次元ヘテロ構造 / キラル分子 / 遷移金属ダイカルコゲナイド / 探針増強ラマン散乱分光 / 走査トンネル顕微鏡

Outline of Research at the Start

二次元物質には、バルク構造にはない新規な機能があふれている。グラフェン等の単元素材料、遷移金属ダイカルコゲナイドなどの多元素系二次元物質は、三次元バルク構造では予測できない、さまざまな新規機能が予測・実測されている。一方、担持する基板との相互作用により、目的とする二次元材料が本来もつ多様な物性・機能が正確に発現しているかを原子・分子スケールで検討することが要求されている。本研究では、電子・光・スピンデバイスとして応用展開するうえで、担持する基板や不活性化キャップ材料を含めた実動作環境を想定した、精緻な物性機能計測をおこない、将来のデバイス利用を考慮した無機・有機二次元ヘテロ構造を科学する。

Outline of Annual Research Achievements

本研究は、申請者グループ（大阪大学大学院工学研究科）と、ポーランド・ウッチ（Lodz）大学のグループ（物理および応用情報学専攻）との密接な共同研究に より、双方が有する卓越した研究装置群を複合的に利用し、二次元ヘテロ構造の原子配列・電子状態・光学特性を、ヘテロ薄膜間の相互作用を積極的に評価・分析することで、機能性単原子・分子膜が持つ特異な機能が有効に発現可能な組み合わせを精査し、将来のデバイス利用を考慮した無機・有機二次元ヘテロ構造を科学する。
本年度は、日本側、ポーランド側ともに、自国の実験・理論研究に重点を置いて、共同研究を推進した。研究代表者側では、研究対象として主に単一カーボンナノチューブ（SWNT）に注目した。STMによりその構造（カイラル指数）を同定し、さらに単一カーボンナノチューブからの探針増強ラマン散乱分光計測を実行し、新奇なラマンスペクトル形状を確認した。具体的には、カーボンナノチューブ特有のラマンピークであるＧバンドに注目したところ、G＋とG－ピークの強度比が、通常のラマンスペクトルに対して明らかに反転していることがわかり、またピーク強度比反転があるかどうかは、観測しているSWNTのカイラル指数に強く依存していることがわかった。この結果は二次元ヘテロ物質の界面において、その強い相互作用により構造歪が誘発され、原子構造や振動状態に変調を与えうることを強く示唆している。本研究成果をもとに研究分担者・服部が「STM-TERSを用いた単層カーボンナノチューブのカイラル角とGバンド強度の相関の分析」と題して口頭発表を行ったところ、2024年秋季応用物理学会にて講演奨励賞を受賞している。
人材交流では研究代表者が８月から９月にかけてPoland Lodzに滞在して共同研究について詳細な打合せを行い、また50周年記念セレモニーでスピーチを行った。

Current Status of Research Progress

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

Reason

共同研究は順調に進展している。
概要にも記述したが、単一カーボンナノチューブからの探針増強ラマン散乱分光スペクトルにおいて新奇なスペクトル形状変化を評価し、SWNTのカイラル指数依存性を検討した。本研究の成果として、学会発表を行い、研究分担者・服部が2024年秋季応用物理学会にて講演奨励賞を受賞するなど、成果の発信も順調に行っている。
これまでのポーランドLodz大学との共同研究に関連して、９月にPoland Lodz大学において、2か国間の共同研究も歴史や成果をLodz大学・物理およびインフォマティクス学部の50周年記念セレモニーにおいて紹介するスピーチを行うなど、着々と共同研究の成果発信の効果が表れている。

Strategy for Future Research Activity

今年度は、前述の通り、カーボンナノチューブにおけるラマンスペクトルの解析について学術論文投稿を進める。また、遷移金属ダイカルコゲナイド試料を準備し、STMおよび探針増強ラマン分光を用いてその原子構造および振動構造との関連を実空間、ナノ空間分解能で評価する研究を開始する。一方、キラル分子／金属基板界面制御においては、5種類以上のヘリセン誘導体の表面自己組織化構造から、キラル認識メカニズムを検討し、基板との相互作用が、分子間相互作用に及ぼす影響について精査して一般的な知見を得ることを目標にする。共同研究においては、研究代表者が5月末にポーランドLodz大学に短期間滞在し、研究計画を再検討しつつ今後の指針を議論する。
引き続き週1回程度のオンラインでの研究打合せを継続する。 2025年4月、ポーランド側のP.Krukowski氏が、一か月程度、研究代表者の研究室に滞在し、主にヘリセン誘導体を用いた、有機ヘテロ界面の原子・電子構造、振動状態解析について、共同実験を遂行する。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Lodz（ウジ） University(ポーランド)
• [Int'l Joint Research] Lodz（ウジ） University(ポーランド)
• [Int'l Joint Research] Lodz University(ポーランド)
• [Journal Article] “STM/TERS observation of (M)-type diphenyl[7]thiaheterohelicene on Ag(111)” (2024)
  • Author(s): Sho Kimura, Takuma Hattori, Changqing Ye, Masaki Okada, Satoshi Kondo, Yui Sakurama, Akira Saito, Pawel Krukowski, Hideji Osuga and Yuji Kuwahara
  • Journal Title: Phys. Chem. Chem. Phys. Volume: 26(43) Issue: 9 Pages: 7658-7663
  • DOI: 10.1039/d3cp05813a
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] “Influence of structural defects on charge density waves in 1T-TaS2” (2023)
  • Author(s): Iaroslav Lutsyk, Pawel Krukowski, Takuma Hattori, Yuji Kuwahara, Pawel J. Kowalczyk et al.
  • Journal Title: Nano Research Volume: 16 Issue: 3 Pages: 11528-11539
  • DOI: 10.1007/s12274-023-6018-y
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] “Chiral Recognition Mechanism of Two-Dimensional Self-Assembly Formed by [7]Thiaheterohelicene” . (2023)
  • Author(s): Changqing Ye, Takuma Hattori, Yuji Hamamoto, Pawel Krukowski, Kouji Inagaki, Akira Saito, Hideji Osuga, Yoshitada Morikawa, and Yuji Kuwahara
  • Journal Title: J. Phys. Chem. C Volume: 127(43) Issue: 43 Pages: 21305-21312
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.3c04406
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] STM-TERSを用いた単層カーボンナノチューブのカイラル角に依存したラマン強度の評価 (2025)
  • Author(s): 服部卓磨, 瀬田賢斗, 春名泰成 ,齋藤彰,濱田幾太郎,桑原裕司
  • Organizer: 2025年第72回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Stereochemical Recognition of Chiral Molecules Investigated by STM-LE and STM-TERS (2024)
  • Author(s): Y. Kuwahara, T. Hattori, P. Krukowski, C. Ye, A. Saito, and H. Osuga
  • Organizer: Materials Science of Solids and Surfaces using Radiation Field Controlled in Time/Space Domain
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Chiral Recognition Mechanism of Two-Dimensional Self-Assembly Formed by Thiaheterohelicene Molecules on the Ag(111) Surface (2024)
  • Author(s): Y. Kuwahara, T. Hattori, P. Krukowski, C. Ye, A. Saito, and H. Osuga
  • Organizer: ICNAAM 2024, Greece Galuxy hotel Helaklion & On-line
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Investigation for optical dissymetry of chiral PTCDI molecules by using STM-induced luminescence (2024)
  • Author(s): Takuma Hattori, Taisei Haruna, Akira Saito, Hideji Osuga, Yuji Kuwahara
  • Organizer: The 10th international symposium on surface science
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Two-dimensional chiral recognition of thiaheterohelicene derivatives using molecular dynamics simulation. (2024)
  • Author(s): Changqing Ye, Takuma Hattori, Yuji Hamamoto, Pawel Krukowski, Akira Saito, Hideji Osuga, Yoshitada Morikawa, Yuji Kuwahara
  • Organizer: The 10th international symposium on surface science
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Two-dimenional chiral recognition of thiaheterohelicene derivatives using molecular dynamics simulation (2024)
  • Author(s): Changqing Ye, Takuma Hattori, Yuji Hamamoto, Pawel Krukowski, Akira Saito, Hideji Osuga, Yoshitada Morikawa, Yuji Kuwahara
  • Organizer: 第85回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] STM-TERSによる単層カーボンナノチューブのGバンド強度とカイラル角の相関の解析 (2024)
  • Author(s): 服部卓磨、瀬田健斗、春名泰成、斎藤彰、桑原裕司
  • Organizer: 第85回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] STM誘起発光によるPTCDI分子のナノスケール光学活性評価 (2024)
  • Author(s): 重久瑠, 春名泰成, 服部卓磨, 松羅翔大, 齋藤彰, 大須賀秀次, 桑原裕司
  • Organizer: 2024年度関西薄膜・表面物理セミナー
• [Presentation] “Stereochemical Recognition of thiaheterohelicene derivatives Investigated by STM and Raman Scattering Spectroscopy” (2023)
  • Author(s): Y. Kuwahara, T. Hattori, P. Krukowski, C. Ye, A. Saito, Y. Hamamoto, Y. Morikawa, and H. Osuga Andel's Lodz, Lodz, Poland, Poland.
  • Organizer: 36th European Conference on Surface Science (ECOSS36)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] “Optical properties of chiral PTCDI molecules investigated by STM-induced luminescence” (2023)
  • Author(s): T. Hattori, R. Suzuki, A. Saito, H. Osuga, and Y. Kuwahara “Optical properties of chiral PTCDI molecules investigated by STM-induced luminescence” 36th European Conference on Surface Science (ECOSS36)
  • Organizer: 36th European Conference on Surface Science (ECOSS36)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] “Theoretical study on stereo recognition of thiaheterohelicene on Ag(111)” (2023)
  • Author(s): C. Ye, T. Hattori, Y. Hamamoto, P. Krukowski, A. Saito, H. Osuga, Y. Morikawa, and Y. Kuwahara
  • Organizer: 36th European Conference on Surface Science (ECOSS36)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] “Molecular dynamics study on chiral recognition mechanism of thiaheterohelicene molecules” (2023)
  • Author(s): Changqing Ye, Takuma Hattori, Yuji Hamamoto, Pawel Krukowski, Akira Saito, Hideji Osuga, Yoshitada Morikawa, Yuji Kuwahara
  • Organizer: 2023年日本物理学会春季大会
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] “キラルPTCDI分子の円偏光発光特性の評価” (2023)
  • Author(s): 服部卓磨, 鈴木凌,斎藤彰, 大須賀秀次, 桑原裕司
  • Organizer: 2023年日本物理学会春季大会
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] “STM誘起発光を用いたキラルPTCDI分子の吸着構造と円偏光発光の解析” (2023)
  • Author(s): 服部卓磨, 春名泰成, 齋藤彰, 大須賀秀次, 桑原裕司
  • Organizer: 2023年日本物理学会春季大会
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] “STM-TERSを用いたジフェニルヘリセンのキラル認識機構の評価” (2023)
  • Author(s): 木村翔, 服部卓磨, 仲西秀就, Pawel Krukowski, 大須賀秀次, 齋藤彰, 桑原裕司
  • Organizer: 第84回応用物理学会秋季学術講演会
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Molecular dynamics study on chiral recognition mechanism of thiaheterohelicene molecules (2023)
  • Author(s): Changqing Ye, Takuma Hattori, Yuji Hamamoto, Pawel Krukowski, Akira Saito, Hideji Osuga, Yoshitada Morikawa, Yuji Kuwahara
  • Organizer: 2023年日本物理学会春季大会
• [Presentation] キラルPTCDI分子の円偏光発光特性の評価 (2023)
  • Author(s): 服部卓磨, 鈴木凌, 斎藤彰, 大須賀秀次, 桑原裕司
  • Organizer: 2023年日本物理学会春季大会
• [Remarks] 桑原研究室 大阪大学 大学院工学研究科 物理学系専攻 精密工学コース 原子制御プロセス領域
  • URL: http://www-ss.prec.eng.osaka-u.ac.jp/
• [Remarks] 日本真空学会 2025年日本表面真空学会 学会賞決定
  • URL: https://www.jvss.jp/jpn/news/detail.php?eid=00214
• [Remarks] 桑原研究室 Kuwahara Lab. 大阪大学 原子制御プロセス領域
  • URL: http://www-ss.prec.eng.osaka-u.ac.jp/
• [Remarks] 桑原研究室 Kuwahara Lab.
  • URL: http://www-ss.prec.eng.osaka-u.ac.jp/