Creation of 2.5 dimensional transition metal dichalcogenide nanotubes and their large surface area applications

• Project Area: Science of 2.5 Dimensional Materials: Paradigm Shift of Materials Science Toward Future Social Innovation
• Project/Area Number: 22H05468
• Research Category: Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Transformative Research Areas, Section (II)
• Research Institution: Tokyo Metropolitan University
• Principal Investigator: 蓬田 陽平 東京都立大学, 理学研究科, 助教 (90647158)
• Project Period (FY): 2022-06-16 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (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: ナノチューブ / 無機ナノチューブ / 遷移金属ダイカルコゲナイドナノチューブ / 構造制御 / 対称性制御 / 2.5次元遷移金属ダイカルコゲナイドナノチューブ / 2.5次元遷移金属ダイカルコゲナイド / ヘテロナノチューブ / ヤヌスナノチューブ / 水素発生 / 水素発生触媒 / 光物性 / バルク光起電力効果

Outline of Research at the Start

2次元層状化合物を円筒状にした遷移金属ダイカルコゲナイドナノチューブ（TMDC-NT）では、円筒構造・積層構造の自由度を活かした2次元物質にはないユニークな機能が期待される。本研究では、これまで開発してきたTMDC-NTの合成技術・積層技術を進化させることにより、円筒構造・積層構造が制御された2.5次元TMDC-NTを創製し、その触媒・デバイス応用や光物性開拓を展開する。本研究を通して、2.5次元TMDC-NTの生産基盤を構築し、TMDCの多機能材料としての可能性を見いだす。

Outline of Annual Research Achievements

本研究は、これまで開発してきた遷移金属ダイカルコゲナイドナノチューブ（TMDC-NT）の合成技術・積層技術を進化させることにより、円筒構造・積層構造が制御された2.5次元TMDC-NTを創製し、その触媒・デバイス応用や光物性開拓を展開することを目的とする。2023年度は、その目標達成に向けて、①円筒構造を制御したTMDC-NTの合成技術の開発、②異なるTMDC-NTを積層させたヘテロNTおよび異なるカルコゲンを有するヤヌスNTの創製、③TMDC-NTの触媒応答およびデバイス作製に取り組み、以下を実現した。

①円筒構造を制御したTMDC-NTの合成技術の開発：前年度開発した絶縁体基板上への小径INTの直接合成法の改良を行った。前駆体の成長温度を変化させて実験を行い、前駆体の形状が成長温度で大きく変わることを見いだした。またその過程で、前駆体が基板の結晶軸に対して配列することを見いだし、配列したINTの合成に成功した。
②異なるTMDC-NTを積層させたヘテロNTおよび異なるカルコゲンを有するヤヌスNTの創製：前年度実現したMoS2/WS2ヘテロNTにおいて、カルコゲン化温度の制御を行うことで、結晶性が高いヘテロNTの合成に成功した。結晶性を電子線回折により評価し、ヘテロNTのそれぞれの層が単一ドメインであることを明らかにした。さらに、前年度実現したWSSeヤヌスNTにおいて、STEM-EELSによる元素分析を行い、ヤヌス構造を示すことを実験的に実証した。ヤヌス化の条件を探索することにより、世界に先駆けてマイクロメートルスケールのヤヌスINTを実現した。
③TMDC-NTの触媒応答およびデバイス作製：②で得られたヤヌスNTを用いて電気化学セルを作製し、評価を行った。また並行して、バルク光起電力効果測定のためのナノチューブ一本のデバイス作製に対し、四端子電極を形成できる技術を開発した。

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] Extreme Polarization Anisotropy in Resonant Third‐Harmonic Generation from Aligned Carbon Nanotube Films (2023)
  • Author(s): Zhu Song、Li Wenkai、Yu Shengjie、Komatsu Natsumi、Baydin Andrey、Wang Fakun、Sun Fangyuan、Wang Chongwu、Chen Wenduo、Tan Chuan Seng、Liang Houkun、Yomogida Yohei、Yanagi Kazuhiro、Kono Junichiro、Wang Qi Jie
  • Journal Title: Advanced Materials Volume: 35 Issue: 41 Pages: 2304082-2304082
  • DOI: 10.1002/adma.202304082
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Synthesis and optical properties of WS2 nanotubes with relatively small diameters (2023)
  • Author(s): Rahman Md. Ashiqur、Yomogida Yohei、Ahad Abdul、Ueji Kan、Nagano Mai、Ihara Akane、Nishidome Hiroyuki、Omoto Mikito、Saito Shigeki、Miyata Yasumitsu、Gao Yanlin、Okada Susumu、Yanagi Kazuhiro
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 13 Issue: 1 Pages: 16959-16959
  • DOI: 10.1038/s41598-023-44072-z
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Semiconducting Transition Metal Dichalcogenide Heteronanotubes with Controlled Outer-Wall Structures (2023)
  • Author(s): Yomogida Yohei、Nagano Mai、Liu Zheng、Ueji Kan、Rahman Md. Ashiqur、Ahad Abdul、Ihara Akane、Nishidome Hiroyuki、Yagi Takashi、Nakanishi Yusuke、Miyata Yasumitsu、Yanagi Kazuhiro
  • Journal Title: Nano Letters Volume: 23 Issue: 22 Pages: 10103-10109
  • DOI: 10.1021/acs.nanolett.3c01761
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Unified Quantification of Quantum Defects in Small-Diameter Single-Walled Carbon Nanotubes by Raman Spectroscopy (2023)
  • Author(s): Sebastian Finn L.、Becker Felicitas、Yomogida Yohei、Hosokawa Yuuya、Settele Simon、Lindenthal Sebastian、Yanagi Kazuhiro、Zaumseil Jana
  • Journal Title: ACS Nano Volume: 17 Issue: 21 Pages: 21771-21781
  • DOI: 10.1021/acsnano.3c07668
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Structural Diversity of Single-Walled Transition Metal Dichalcogenide Nanotubes Grown via Template Reaction (2023)
  • 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
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Engineering chirality at wafer scale with ordered carbon nanotube architectures (2023)
  • Author(s): Doumani Jacques、Lou Minhan、Dewey Oliver、Hong Nina、Fan Jichao、Baydin Andrey、Zahn Keshav、Yomogida Yohei、Yanagi Kazuhiro、Pasquali Matteo、Saito Riichiro、Kono Junichiro、Gao Weilu
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 14 Issue: 1 Pages: 7380-7380
  • DOI: 10.1038/s41467-023-43199-x
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Influence of Laser Intensity and Location of the Fermi Level on Tunneling Processes for High-Harmonic Generation in Arrayed Semiconducting Carbon Nanotubes (2023)
  • Author(s): Nishidome Hiroyuki、Omoto Mikito、Nagai Kohei、Uchida Kento、Murakami Yuta、Eda Junko、Okubo Hitomi、Ueji Kan、Yomogida Yohei、Kono Junichiro、Tanaka Koichiro、Yanagi Kazuhiro
  • Journal Title: ACS Photonics Volume: 11 Issue: 1 Pages: 171-179
  • DOI: 10.1021/acsphotonics.3c01244
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Structures and optical properties of thin tungsten oxide nanowires treated with poly(ethylene glycol) (2022)
  • Author(s): Rahman Md. Ashiqur、Yomogida Yohei、Nagano Mai、Tanaka Ryoga、Yanagi Kazuhiro
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 61 Issue: SD Pages: SD1018-SD1018
  • DOI: 10.35848/1347-4065/ac528c
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Heat and Charge Carrier Flow through Single-Walled Carbon Nanotube Films in Vertical Electrolyte-Gated Transistors: Implications for Thermoelectric Energy Conversion (2022)
  • Author(s): Ueji Kan、Muto Nobuhiro、Heimfarth Daniel、Matsuoka Yuya、Ichinose Yota、Yomogida Yohei、Yagi Takashi、Zaumseil Jana、Yanagi Kazuhiro
  • Journal Title: ACS Applied Nano Materials Volume: 5 Issue: 5 Pages: 6100-6105
  • DOI: 10.1021/acsanm.2c01687
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Surfactant-Assisted Isolation of Small-Diameter Boron-Nitride Nanotubes for Molding One-Dimensional van der Waals Heterostructures (2022)
  • Author(s): Furusawa Shinpei、Nakanishi Yusuke、Yomogida Yohei、Sato Yuta、Zheng Yongjia、Tanaka Takumi、Yanagi Kazuhiro、Suenaga Kazu、Maruyama Shigeo、Xiang Rong、Miyata Yasumitsu
  • Journal Title: ACS Nano Volume: 16 Issue: 10 Pages: 16636-16644
  • DOI: 10.1021/acsnano.2c06067
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] 構造と組成が制御されたナノチューブの創出と物性開拓 (2024)
  • Author(s): 蓬田陽平
  • Organizer: 第1回マテリアル・デバイス・データ融合サイエンスセミナー
  • Invited
• [Presentation] Synthesis of Arrayed Tungsten Oxides Nanowires and Their Conversion into Nanotubes (2024)
  • Author(s): Abdul Ahad, Md. Ashiqur Rahman, Yohei Yomogida, Kan Ueji, Akane Ihara , Yasumitsu Miyata, Yasushi Hirose, Kazuhiro Yanagi
  • Organizer: 第66回フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム
• [Presentation] 構造制御された遷移金属ダイカルコゲナイドナノチューブの合成と物性 (2023)
  • Author(s): 蓬田陽平
  • Organizer: 電気学会電子材料研究会
  • Invited
• [Presentation] Circularly polarized near-infrared photo- and electroluminescence from enantiopure single-chirality single-wall carbon nanotubes (2023)
  • Author(s): Y. Yomogida, F. L. Sebastian, Y. Hosokawa, N. F. Zorn, S. Wieland, K. Yanagi, J. Zaumseil
  • Organizer: The 23rd international conference on the Science and Applications of Nanotubes and Low-Dimensional Materials (NT23)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 単一構造単層カーボンナノチューブからの近赤外円偏光発光 (2023)
  • Author(s): 蓬田陽平, F. L. Sebastian, 細川祐矢, N. F. Zorn, S. Wieland, 柳和宏, J. Zaumseil
  • Organizer: 第84回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] .発表標題 小直径遷移金属ダイカルコゲナイドナノチューブの合成と光学特性 (2023)
  • Author(s): 蓬田陽平, Md. A. Rahman, 伊原茜, 西留比呂幸, 大元幹人, 上治寛, Y. Gao, 岡田晋, 宮田耕充, 柳和宏
  • Organizer: 第84回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] Near-infrared circularly polarized photoluminescence and electroluminescence from enantiopure single-wall carbon nanotubes (2023)
  • Author(s): 蓬田陽平, F. L. Sebastian, 細川祐矢, N. F. Zorn, S. Wieland, 柳和宏, J. Zaumseil
  • Organizer: 第65回フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム
• [Presentation] Synthesis of Janus transition metal dichalcogenide nanotubes (2023)
  • Author(s): Akane Ihara, Mai Nagano, Yohei Yomogida, Hiroshi Nakajo, Soma Aoki, Toshiaki Kato, Kazunari Matsuda, Keisuke Sinokita, Zheng Liu, Kan Ueji, Kazuhiro Yanagi
  • Organizer: 第65回フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム
• [Presentation] Synthesis of Janus transition metal dichalcogenide nanotubes (2023)
  • Author(s): Akane Ihara, Mai Nagano, Yohei Yomogida, Hiroshi Nakajo, Soma Aoki, Toshiaki Kato, Kazunari Matsuda, Keisuke Shinokita, Zheng Liu, Kan Ueji, Kazuhiro Yanagi
  • Organizer: The 23rd international conference on the Science and Applications of Nanotubes and Low-Dimensional Materials (NT23)
• [Presentation] 気相成長WOxナノワイヤからの小径WSe2ナノチューブの合成 (2023)
  • Author(s): 伊原茜, 永野真衣, 蓬田陽平, 上治寛, 柳和宏
  • Organizer: 第70回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Synthesis of relatively small-diameter WS2 nanotubes by sulfurization of CVD grown tungsten oxide nanowires and their optical properties (2023)
  • Author(s): Md. A. Rahman, Y. Yomogida, M. Nagano, A. Ahad, A. Ihara, H. Nishidome, M. Omoto, K. Ueji, Y. Miyata, K. Yanagi
  • Organizer: 第64回FNTG総合シンポジウム
• [Presentation] Comparative Study on the CVD Synthesis of Tungsten Oxides Nanowires Using Different Substrates (2023)
  • Author(s): A. Ahad, Md. A. Rahman, Y. Yomogida, K. Ueji, M. Nagano, A. Ihara , Y. Miyata, K. Yanagi
  • Organizer: 第64回FNTG総合シンポジウム
• [Presentation] Synthesis of small-diameter WSe2 nanotubes from CVD-grown WOx nanowires (2023)
  • Author(s): A. Ihara, M. Nagano, Y. Yomogida, K. Ueji, K. Yanagi
  • Organizer: 第64回FNTG総合シンポジウム
• [Presentation] Circularly polarized near-infrared light-emitting transistors with enantiomer-sorted single-wall carbon nanotubes (2023)
  • Author(s): Y. Yomogida, F. L. Sebastian, Y. Hosokawa, N. F. Zorn, S. Wieland, K. Yanagi, J. Zaumseil
  • Organizer: IWEPNM 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Synthesis of Hetero Transition Metal Dichalcogenide Nanotubes (2022)
  • Author(s): M. Nagano, Y. Yomogida, Md. A. Rahman, Y. Nakanishi, Y. Miyata, K. Yanagi
  • Organizer: NT22
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Synthesis of relatively small-diameter WS2 nanotubes by sulfurization of CVD grown tungsten oxide nanowires (2022)
  • Author(s): Md. A. Rahman, Y. Yomogida, K. Ueji, M. Nagano, R. Tanaka, Y. Miyata, K. Yanagi
  • Organizer: 第63回FNTG総合シンポジウム
• [Presentation] Synthesis of MoS2/ WS2 hetero-nanotubes (2022)
  • Author(s): M. Nagano, Y. Yomogida, Md. A. Rahman, K. Ueji, T. Yagi, Y. Nakanishi, Y. Miyata, K. Yanagi
  • Organizer: 第63回FNTG総合シンポジウム
• [Presentation] Synthesis of MoS2/ WS2 hetero-nanotubes (2022)
  • Author(s): 永野真衣, 蓬田陽平, Md. A. Rahman, 上治寛, 八木貴志, 中西勇介, 宮田耕充, 柳和宏, 第83回応用物理学会秋季学術講演会
  • Organizer: 第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] Synthesis of relatively small-diameter WS2 nanotubes by sulfurization of poly(ethylene glycol) treated thin tungsten oxide nanowires (2022)
  • Author(s): Md. A. Rahman, Y. Yomogida, K. Ueji, M. Nagano, R. Tanaka, Y. Miyata, K. Yanagi
  • Organizer: MNC 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] エッジを制御した遷移金属ダイカルコゲナイドヘテロナノチューブの合成 (2022)
  • Author(s): 永野真衣, 蓬田陽平, Md. A. Rahman, 上治寛, 八木貴志, 中西勇介, 宮田耕充, 柳和宏
  • Organizer: 第9回ZAIKEN Festa
• [Book] 遷移金属ダイカルコゲナイドの基礎と最新動向 (2023)
  • Author(s): 蓬田陽平, 柳和宏
  • Total Pages: 326
  • Publisher: シーエムシー出版