Novel nanostructures through 1.5-2.5 dimensional expansion

• Project Area: Science of 2.5 Dimensional Materials: Paradigm Shift of Materials Science Toward Future Social Innovation
• Project/Area Number: 22H05458
• Research Category: Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Transformative Research Areas, Section (II)
• Research Institution: National Institute for Materials Science
• Principal Investigator: 北浦 良 国立研究開発法人物質・材料研究機構, ナノアーキテクトニクス材料研究センター, グループリーダー (50394903)
• Project Period (FY): 2022-06-16 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥11,180,000 (Direct Cost: ¥8,600,000、Indirect Cost: ¥2,580,000); Fiscal Year 2023: ¥5,590,000 (Direct Cost: ¥4,300,000、Indirect Cost: ¥1,290,000); Fiscal Year 2022: ¥5,590,000 (Direct Cost: ¥4,300,000、Indirect Cost: ¥1,290,000)
• Keywords: 二次元ヘテロ構造 / 二次元半導体 / 機能開拓 / 物性解析 / 二次元超構造 / 先端薄膜成長 / 固体物性 / 混合次元 / 機能化

Outline of Research at the Start

「二次元物質の積層による次元拡張(2+2)」とは異なる着眼点から新奇ナノ構造を設計・合成し、領域内の研究者との共同研究を通して新物質科学の発展に貢献する。一次元構造体の接合によって二次元構造へと次元性を拡張する「1+1→1.5」、それらをさらに積層することによる次元性の拡張「1.5+1.5」が生み出す新奇ナノ構造は、構成要素とは異なる次元性、異なる空間対称性、異なる長周期層間相互作用をもつ。これら孤立した構成要素とは全く異なる電子状態をもつ新奇ナノ構造を独自技術で世界に先駆けて実現し、領域内に幅広く共同研究を展開し新物質科学を拓いていくことを目的とする。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、新たなカテゴリーの2.5次元物質の開拓を目的とし、二次元半導体のヘテロ接合・積層構造の作製と評価および理論的解析を進めた。また、共同研究を通して領域に貢献することを目指し、第一原理計算による電子状態解明、hBNとのヘテロ積層、積層構造の作製法、光物性計測、光起電力測定などについて他班のメンバーと幅広く共同研究を展開した。以下には、得られた結果の幾つかについて記述する。例えばhBNとのヘテロ積層構造を用いた研究では、ゲート変調反射分光によって荷電励起子のリドベルグ状態を明瞭に観測することに成功した。この手法は、微小な光学応答の観測に有効であり、モワレ励起子など2.5次元物質で現れる新たな励起状態の観測に役立つことが期待される。また、同様にhBNとのヘテロ積層を用いた研究において、バレーコヒーレンスを観測し、自由な励起子とゼロ次元に閉じ込められた励起子では、コヒーレンス時間が大きく異なりうることを見出した。第一原理計算による解析では、接合・積層構造を対象にキャリア蓄積を調べたところ、その特異なナノ構造を反映して構造としては二次元であるにも関わらず「ゼロおよび一次元状にキャリア蓄積が起こる」ことが明らかになった。最後に、光起電力測定では二次元半導体を曲げることで鉛直方向に分極が発生し、それに由来してバルク光起電力が鉛直方向に生じることを明らかとした。以上に述べた以外にも様々な成果が得られた。本領域での研究活動を通して新たに構築できた共同研究ネットワークは、今後も維持しさらなる発展の基盤としていきたい。

Research Progress Status

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Photo-thermoelectric effect-driven detection of optical communication light in graphene/hBN heterostructures (2024)
  • Author(s): Iwasaki Takuya、Sato Yodai、Ogo Makoto、Oh Byunghun、Kozawa Daichi、Kitaura Ryo、Watanabe Kenji、Taniguchi Takashi、Moriyama Satoshi、Fujikata Junichi
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 63 Issue: 3 Pages: 030903-030903
  • DOI: 10.35848/1347-4065/ad2bd6
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Gate-modulated reflectance spectroscopy for detecting excitonic states in two-dimensional semiconductors (2023)
  • Author(s): Xue Mengsong、Watanabe Kenji、Taniguchi Takashi、Kitaura Ryo
  • Journal Title: Applied Physics Letters Volume: 123 Issue: 6 Pages: 063101-063101
  • DOI: 10.1063/5.0159245
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Localized Excitons in Zn-Porphyrin Covalently Functionalized MoS₂ and WS₂ (2023)
  • Author(s): Canton-Vitoria Ruben、Hotta Takato、Tanuma Yuri、Sideri Ioanna K.、Tagmatarchis Nikos、Ewels Chris、Kitaura Ryo
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry C Volume: 127 Issue: 22 Pages: 10699-10708
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.2c08009
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Assessment of valley coherence in a high-quality monolayer molybdenum diselenide (2023)
  • Author(s): Urano Yuto、Xue Mengsong、Watanabe Kenji、Taniguchi Takashi、Kitaura Ryo
  • Journal Title: Applied Physics Express Volume: 16 Issue: 6 Pages: 065003-065003
  • DOI: 10.35848/1882-0786/acd985
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Synthesis and Characterization of Transition Metal Dichalcogenide Nanoribbons Based on a Controllable O₂ Etching (2023)
  • Author(s): Canton-Vitoria Ruben、Hotta Takato、Xue Mengsong、Zhang Shaochun、Kitaura Ryo
  • Journal Title: JACS Au Volume: 3 Issue: 3 Pages: 775-784
  • DOI: 10.1021/jacsau.2c00536
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Observation of the photovoltaic effect in a van der Waals heterostructure (2023)
  • Author(s): Zhang Shaochun、Maruyama Mina、Okada Susumu、Xue Mengsong、Watanabe Kenji、Taniguchi Takashi、Hashimoto Kazuki、Miyata Yasumitsu、Canton-Vitoria Ruben、Kitaura Ryo
  • Journal Title: Nanoscale Volume: 15 Issue: 12 Pages: 5948-5953
  • DOI: 10.1039/d2nr06616e
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Field-effect transistor antigen/antibody-TMDs sensors for the detection of COVID-19 samples (2023)
  • Author(s): Canton-Vitoria Ruben、Sato Kotaro、Motooka Yashiro、Toyokuni Shinya、Liu Zheng、Kitaura Ryo
  • Journal Title: Nanoscale Volume: 15 Issue: 9 Pages: 4570-4580
  • DOI: 10.1039/d2nr06630k
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] An observation of a photovoltaic effect in MoS₂ nanoribbons fabricated with a top-down approach (2023)
  • Author(s): Zhang Shaochun、Xue Mengsong、Zeng Fanyu、Kitaura Ryo
  • Journal Title: Applied Physics Express Volume: 16 Issue: 3 Pages: 035003-035003
  • DOI: 10.35848/1882-0786/acbf9f
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Formation of a one-dimensional hole channel in MoS2 by structural corrugation (2023)
  • Author(s): Gao Yanlin、Nakajima Haruna、Maruyama Mina、Taniguchi Takashi、Watanabe Kenji、Kitaura Ryo、Okada Susumu
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 62 Issue: 1 Pages: 015001-015001
  • DOI: 10.35848/1347-4065/acaae0
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Gate-Induced Trans-Dimensionality of Carrier Distribution in Bilayer Lateral Heterosheet of MoS2 and WS2 for Semiconductor Devices with Tunable Functionality (2023)
  • Author(s): Maruyama Mina、Ichinose Nanami、Gao Yanlin、Liu Zheng、Kitaura Ryo、Okada Susumu
  • Journal Title: ACS Applied Nano Materials Volume: 6 Issue: 7 Pages: 5434-5439
  • DOI: 10.1021/acsanm.2c05561
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Trion confinement in monolayer MoSe2 by carbon nanotube local gating (2022)
  • Author(s): Hotta Takato、Nakajima Haruna、Chiashi Shohei、Inoue Taiki、Maruyama Shigeo、Watanabe Kenji、Taniguchi Takashi、Kitaura Ryo
  • Journal Title: Applied Physics Express Volume: 16 Issue: 1 Pages: 015001-015001
  • DOI: 10.35848/1882-0786/aca642
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 新奇半導体創出に基づくバンドギャップエンジニアリング (2023)
  • Author(s): 北浦 良
  • Organizer: JST SICORP V4 中間ワークショップ
  • Invited
• [Presentation] Heterostructures based on two-dimensional semiconductors (2023)
  • Author(s): Kitaura, Ryo
  • Organizer: NT23
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Gate-modulated reflectance spectroscopy for detecting excitonic species in two-dimensional semiconductors (2023)
  • Author(s): KITAURA, Ryo
  • Organizer: 2023 1st Nano carbon Study Group
  • Invited
• [Presentation] 2次元物質の科学 分子・原子を自在に操る技術とナノアーキテクトニクス (2023)
  • Author(s): 北浦 良
  • Organizer: NIMS公開 オープンハウス2023
  • Invited
• [Presentation] Heterostructures based on Two-dimensional Materials (2023)
  • Author(s): KITAURA, Ryo
  • Organizer: 65th KVS Summer Annual Conference and IFFFM 2023
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 二次元物質・ヘテロ構造の 構築と機能探索 (2023)
  • Author(s): 北浦 良
  • Organizer: 量子材料薄膜の結晶成長研究会
  • Invited
• [Presentation] Modulated Spectroscopy for Probing Excitonic States of 2D Systems (2023)
  • Author(s): KITAURA, Ryo
  • Organizer: 13th A3 symposium on emerging materials
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 2D-materials-based Heterostructures (2023)
  • Author(s): KITAURA, Ryo
  • Organizer: MANA International Symposium 2023
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Fabrication and optical properties of 2D-semiconductor-based heterostructures (2022)
  • Author(s): Kitaura Ryo
  • Organizer: The 12th Symposium on Emerging materials
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Heterostructures based on two-dimensional semiconductors (2022)
  • Author(s): Kitaura, Ryo
  • Organizer: SSDM
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] An exploration of lateral/vertical van der Waals heterostructures (2022)
  • Author(s): Kitaura, Ryo
  • Organizer: OPA-JSAP symposium
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] An investigation of photovoltaic effects in two-dimensional systems (2022)
  • Author(s): Shaochun Zhang and Ryo Kitaura
  • Organizer: Nanocarbon research meeting
  • Invited
• [Presentation] Ultrathin Lateral Heterostructures Based on Two-Dimensional Semiconductors (2022)
  • Author(s): Kitaura, Ryo
  • Organizer: 241st ECS Meeting
  • Int'l Joint Research / Invited