大気・熱安定性に優れる14族2.5次元物質の創製と熱電応用への展開

• Project Area: Science of 2.5 Dimensional Materials: Paradigm Shift of Materials Science Toward Future Social Innovation
• Project/Area Number: 22H05456
• Research Category: Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Transformative Research Areas, Section (II)
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: 黒澤 昌志 名古屋大学, 工学研究科, 准教授 (40715439)
• Project Period (FY): 2022-06-16 – 2024-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥6,760,000 (Direct Cost: ¥5,200,000、Indirect Cost: ¥1,560,000); Fiscal Year 2023: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000); Fiscal Year 2022: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000)
• Keywords: ゲルマニウム / 二次元物質 / 大気安定性 / 熱安定性 / 熱電応用

Outline of Research at the Start

14族2.5次元物質（グラフェンの炭素原子をシリコン、ゲルマニウム、スズに置換した二次元物質：シリセン、ゲルマネン、スタネン）は、超高真空中で導電性基板上でのみ、その合成に成功しており、理論的に予測されている卓越した物性を応用するには至っていない。この課題解決に向けて、今回の公募研究ではゲルマネンの物性計測やデバイス応用に資する構造（大気・熱安定性に優れる薄膜を絶縁膜上に合成すること）を早期に実現するとともに、熱電物性を世界に先駆け解明しその応用可能性を議論する。

Outline of Annual Research Achievements

本年度得られた主な成果を以下に纏める。

●高抵抗基板上へのCaGe2薄膜合成：分子線エピタキシー装置を用い、水素吸着ゲルマネン(GeH)の前駆体であるCaGe2薄膜を高抵抗Si(111)基板上への直接合成に取り組んだ。具体的には、(1)固相拡散法（Si基板上にでGe層をエピタキシャル成長後、Ca層を室温堆積させた後に熱処理を行う方法）および(2)同時蒸着法（Si基板上にCaとGeを同時に蒸着する方法）によりCaGe2薄膜を作製し、結晶サイズ・結晶性等の比較を行った。固相拡散法では結晶粒の直径が50 nmΦ程度と非常に小さかったが、同時蒸着法では300 nmΦ程度と大きく結晶粒表面に平坦な部分がみられた。同時蒸着法で形成した薄膜から得られたX線回折ピークの方が鋭い（すなわち、高品位な薄膜が得られる）ことも判明した。

●トポケミカル反応を用いたGeH薄膜合成：同時蒸着法で形成したCaGe2薄膜を－40 °Cの塩酸に浸漬することで、GeH薄膜の高抵抗基板上への直接合成に成功した。

Current Status of Research Progress

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

Reason

当初の予定通り、高抵抗基板上への水素修飾ゲルマネン薄膜合成に成功するなど順調に進んでいる。

Strategy for Future Research Activity

領域内共同研究を進め、得られたGeH薄膜の局所構造や熱安定性の解析、熱電物性に関する議論を行う。

Research Products

• [Journal Article] Heteroepitaxial growth of CaGe2 films on high-resistivity Si(111) substrates and its application for germanane synthesizing (2023)
  • Author(s): Okada Kazuya、Shibayama Shigehisa、Sakashita Mitsuo、Nakatsuka Osamu、Kurosawa Masashi
  • Journal Title: Materials Science in Semiconductor Processing Volume: 161 Pages: 107462-107462
  • DOI: 10.1016/j.mssp.2023.107462
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Molecular beam epitaxy of CaGe2 layers on Si(111) substrate (2022)
  • Author(s): K. Okada, S. Shibayama, O. Nakatsuka, and M. Kurosawa
  • Organizer: 9th International Symposium on Control of Semiconductor Interfaces (ISCSI-IX)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 高抵抗Si(111)基板上における多層シリカンナノシートの形成 (2022)
  • Author(s): 伊藤善常, 柴山茂久, 坂下満男, 中塚理, 黒澤昌志
  • Organizer: 第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 14 族半導体ナノシートの結晶成長とデバイス応用 (2022)
  • Author(s): 黒澤昌志
  • Organizer: 2022年度 東海NFRW・若手チャプタージョイントワークショップ
  • Invited
• [Presentation] Synthesis of multilayer two-dimensional group-IV flakes and nanosheets (2022)
  • Author(s): M. Kurosawa, M. Itoh, Y. Ito, K. Okada, A. Ohta, M. Araidai, K. O. Hara, Y. Ando, S. Yamada, S. Shibayama, M. Sakashita, O. Nakatsuka
  • Organizer: 33rd International Photovoltaic Science and Engineering Conference (PVSEC-33)
  • Int'l Joint Research