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原子層ダイポールエンジニアリングによる超高性能水分解光触媒の開発

Research Project

Project/Area Number 23K17756
Research Category

Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)

Allocation TypeMulti-year Fund
Review Section Medium-sized Section 21:Electrical and electronic engineering and related fields
Research InstitutionTohoku University

Principal Investigator

加藤 俊顕  東北大学, 工学研究科, 准教授 (20502082)

Project Period (FY) 2023-06-30 – 2026-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥6,370,000 (Direct Cost: ¥4,900,000、Indirect Cost: ¥1,470,000)
Fiscal Year 2025: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
Fiscal Year 2023: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000)
KeywordsTMD / ヤヌスTMD / 光触媒 / プラズマ / ダイポール
Outline of Research at the Start

近年2次元材料である遷移金属ダイカルコゲナイド(TMD)において、片面のカルコゲン元素を別の元素に原子置換したヤヌスTMDが大きな注目を集めている。面直方向のダイポールが発現することが予測されているヤヌスTMDは、様々な特異な物性が理論的に予測されているが、高品質なヤヌスTMDを合成することが困難なため実験研究はほとんど進展していないのが現状である。特に、水分解光触媒作用が爆発的に増大することが理論的に予測されているが、実験的には実証されていない。そこで本研究では、独自の手法により高品質なヤヌスTMDを創製し、その光触媒作用の実証を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

本研究は、高品質ヤヌスTMDの創製と光触媒作用実証の目的のもと、三ヵ年計画に基づき遂行するものである。初年度に当たる今年度は当初計画に従い研究を行い以下の成果を得た。
第一に、ヤヌスTMDの創製と高品質化に関して取り組んだ。高品質ヤヌスTMDを創製するには、欠陥導入無しで1原子層のみを原子置換する究極の原子置換技術の開発が必須である。そこで、これまで我々が開発してきた原子層材料へのマイルドプラズマプロセスを発展させることで、高品質ヤヌスTMDの創製を目指し実験を行った。その結果、ヤヌス化反応装置に観測窓を設置し、反応過程を蛍光(PL)スペクトルの変化としてリアルタイムに直接観測可能な“その場観測プラズマ原子置換装置”の開発に成功した。さらに、同装置を用いてヤヌス化条件であるプラズマ生成電力、圧力、基板設置位置等を精密に最適化した結果、欠陥密度の極めて少ないヤヌスTMDの創成に成功した。
第二に、ヤヌスTMDの詳細構造解析に取り組んだ。合成した高品質ヤヌスTMDに対して、走査型透過型電子顕微鏡(STEM)によるヤヌス置換割合と欠陥密度に関する精密計測を行った。その結果、極めて広範囲かつ均一にヤヌス化反応が進行していることを確認した。さらに、欠陥密度に関しては、ヤヌス化前の剥離WSe2とほぼ同程度であることが明らかとなり、欠陥密度の極めて低い高品質ヤヌスTMDが形成されていることを確認した。
これらの成果は今後の光触媒計測に向けて重要な成果である。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

光触媒応用のための高品質ヤヌスTMDの創成を目指して研究を行い、その場観測プラズマ原子置換装置を活用することで、高品質ヤヌスTMDの合成を実現した。以上の結果から、当初計画に従っておおむね順調に進展していると判断した。

Strategy for Future Research Activity

初年度に高品質ヤヌスTMDの創成が実現できたことから、次年度以降では光触媒機能の計測を開始する。その際、結晶品質と触媒作用の比較を行うために、初年度開発に成功したその場観測プラズマ装置を活用して、欠陥密度を制御したヤヌスTMDを創製する技術が重要となる。本課題に対して、今後重点的に取り組む予定である。

Report

(1 results)
  • 2023 Research-status Report
  • Research Products

    (19 results)

All 2024 2023

All Journal Article (3 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 3 results,  Open Access: 3 results) Presentation (15 results) (of which Int'l Joint Research: 6 results,  Invited: 8 results) Book (1 results)

  • [Journal Article] Nanoscrolls of Janus Monolayer Transition Metal Dichalcogenides2024

    • Author(s)
      M. Kaneda, W. Zhang, Z. Liu, Y. Gao, M. Maruyama, Y. Nakanishi, H. Nakajo, S. Aoki, K. Honda, T. Ogawa, K. Hashimoto, T. Endo, K. Aso, T. Chen, Y. Oshima, Y. Yamada-Takamura, Y. Takahashi, S. Okada,T. Kato, and Y. Miyata
    • Journal Title

      ACS Nano

      Volume: 18 Issue: 4 Pages: 2772-2781

    • DOI

      10.1021/acsnano.3c05681

    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Chemically Tailored Semiconductor Moire Superlattices of Janus Heterobilayers2024

    • Author(s)
      W. Zhang, Z. Liu, H. Nakajo, S. Aoki, H. Wang, Y. Wang, Y. Gao, M. Maruyama, T. Kawakami, Y. Makino, M. Kaneda, T. Chen, K. Aso, T. Ogawa, T. Endo, Y. Nakanishi, K. Watanabe, T. Taniguchi, Y. Oshima, Y. Yamada-Takamura, M. Koshino, S. Okada, K. Matsuda, T. Kato, Y. Miyata
    • Journal Title

      small structures

      Volume: 5 Issue: 5 Pages: 2300514-2300514

    • DOI

      10.1002/sstr.202300514

    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Structural Diversity of Single-Walled Transition Metal Dichalcogenide Nanotubes Grown via Template Reaction2023

    • Author(s)
      Y. Nakanishi, S. Furusawa, Y. Sato, T. Tanaka, Y. Yomogida, K. Yanagi, W. Zhang, H. Nakajo, S. Aoki, T. Kato, K. Suenaga, Y. Miyata
    • Journal Title

      Advanced Materials

      Volume: 35 Issue: 46 Pages: 23066312306631-23066312306631

    • DOI

      10.1002/adma.202306631

    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] Large scale integration of graphene - based quantum devices2024

    • Author(s)
      Toshiaki Kato
    • Organizer
      Workshop Materials for Quantum Electronics
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      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Fabrication of edge-contacted graphene-superconductor junctions2024

    • Author(s)
      Hiroto Ogura,Toshiaki Kato
    • Organizer
      第66回フラーレン・ナノチューブ・グラフェン学会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] その場観測プロセスを活用した2次元原子層材料の高品質合成とヤヌス化2024

    • Author(s)
      Toshiaki Kato
    • Organizer
      第71回応用物理学会春季学術講演会
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      2023 Research-status Report
    • Invited
  • [Presentation] 遷移金属ダイカルコゲナイドのヤヌス化反応における電気伝導特性のその場観測2024

    • Author(s)
      Soma Aoki,Hiroshi Nakajo,Toshiaki Kato
    • Organizer
      第71回応用物理学会春季学術講演会
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      2023 Research-status Report
  • [Presentation] Large scale integration of quantum devices based on 1D and 2D materials2024

    • Author(s)
      Toshiaki Kato
    • Organizer
      AOS Quantum Forum & Seminars in Tohoku University
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      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] プラズマ原子置換法による高品質ヤヌスTMDの合成2023

    • Author(s)
      Toshiaki Kato
    • Organizer
      6th EU-Japan Workshop on Graphene and Related 2D Materials (2023)
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Synthesis and applications of 1D and 2D materials2023

    • Author(s)
      Toshiaki Kato
    • Organizer
      Univ. Manchester - Tohoku Univ. Academic Exchange Workshop on 2D Materials
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    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] その場観測プラズマ機能化法による高品質ヤヌスTMDの創製2023

    • Author(s)
      Toshiaki Kato
    • Organizer
      第12回フラーレン・ナノチューブ・グラフェン若手研究会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Invited
  • [Presentation] Anomalous oxygen reactivity of Janus TMD revealed by in-situ monitoring plasma atomic functionalization2023

    • Author(s)
      Hiroshi Nakajo,Soma Aoki,Toshiaki Kato
    • Organizer
      The 65th Fullerens-nanotubes-Graphene General Symposium
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] Integration of graphene nanoribbon-based quantum dot devices2023

    • Author(s)
      Tatsuki Kato,Mizuki Seo,Takahito Kitada,Tomohiro Otsuka,Toshiaki Kato
    • Organizer
      The 65th Fullerens-nanotubes-Graphene General Symposium
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] Highly-Transparent Solar Cells Fabricated by Few Layer WS22023

    • Author(s)
      Kohei Kanaya,Xing He,Toshiaki Kato
    • Organizer
      The 65th Fullerens-nanotubes-Graphene General Symposium
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] その場観測プラズマ原子置換法を用いたヤヌスTMD単層膜の熱的安定性評価2023

    • Author(s)
      小倉 宏斗、中條 博史、青木 颯馬、加藤俊顕
    • Organizer
      第84回応用物理学会秋季学術講演会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] その場観測プラズマ原子置換法によるヤヌスTMD表面反応性の直接計測2023

    • Author(s)
      中條 博史、青木 颯馬、加藤俊顕
    • Organizer
      第84回応用物理学会秋季学術講演会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] Growth and functionalization dynamics of atomically thin 2D materials revealed with in-situ monitoring processing2023

    • Author(s)
      Toshiaki Kato
    • Organizer
      MNC2023
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Highly transparent solar cell based on 2D materials2023

    • Author(s)
      Toshiaki Kato
    • Organizer
      MRM2023
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Book] “数層遷移金属ダイカルコゲナイドの高透明太陽電池応用”,『遷移金属ダイカルコゲナイドの基礎と最新動向』2023

    • Author(s)
      加藤俊顕
    • Total Pages
      326
    • Publisher
      株式会社シーエムシー出版
    • ISBN
      9784781317588
    • Related Report
      2023 Research-status Report

URL: 

Published: 2023-07-04   Modified: 2024-12-25  

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