二次元半導体ヘテロ構造の結晶成長と光機能開拓

• Project Area: Science of Atomic Layer Systems
• Project/Area Number: 26107530
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Tokyo Metropolitan University
• Principal Investigator: 宮田 耕充 首都大学東京, 理工学研究科, 准教授 (80547555)
• Project Period (FY): 2014-04-01 – 2016-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2015)
• Budget Amount: ¥7,020,000 (Direct Cost: ¥5,400,000、Indirect Cost: ¥1,620,000); Fiscal Year 2015: ¥3,510,000 (Direct Cost: ¥2,700,000、Indirect Cost: ¥810,000); Fiscal Year 2014: ¥3,510,000 (Direct Cost: ¥2,700,000、Indirect Cost: ¥810,000)
• Keywords: 原子層物質 / 遷移金属ダイカルコゲナイド / 成長

Outline of Annual Research Achievements

遷移金属ダイカルコゲナイドのヘテロ構造に関する結晶成長と物性解明に関する研究を進めてきた。１．結晶成長に関しては、これまで開発してきた高温での化学気相成長かつグラファイトや窒化ホウ素のへき開面を成長基板として利用する手法に加え、二段階の気相成長を行うことで、様々なWS2/MoS2系のヘテロ構造の作製に成功してきた。具体的に作製できた試料は、単層のWS2/Mo1-xWxS2やMoS2/WS2の面内接合型のヘテロ構造、単層MoS2/WS2の積層型のヘテロ構造、面内および積層の複合構造である二層のMoS2/WS2複合ヘテロ構造などになる。２．上記試料の電子状態や光学特性の解明を行ってきた。電子状態に関しては、導電性走査プローブ顕微鏡観察や低温の走査トンネル分光によって、ヘテロ界面での電子構造の解明を進めてきた。特に単層のWS2/Mo1-xWxS2系ではタイプ２と呼ばれる半導体ヘテロ接合が実現していることを確認した。また、二層系のヘテロ接合においては、価電子帯と伝導帯が界面近傍で高エネルギー側にシフトする特異な状態が実現していることを見出している。光学特性に関しては、特にMoS2/WS2積層構造を窒化ホウ素上に成長させることで、近赤外領域にシャープな発光ピークを初めて観測した。ピークシフトの温度依存やバンド計算の結果との比較より、これらのピークは層間励起子に関連することが示唆されている。上記の成果は、様々な半導体TMDCの高品質ヘテロ構造の実現によって初めて得られたものであり、これら原子層物質の光・電子デバイス応用に向けた重要な基礎的知見を与えると期待される。

Research Progress Status

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Local optical absorption spectra of MoS2 monolayers obtained using scanning near-field optical microscopy measurements (2016)
  • Author(s): J. Nozaki, S. Mori, Y. Miyata, Y. Maniwa, K. Yanagi
  • Journal Title: Jpn. J. Appl. Phys. Volume: 55 Issue: 3 Pages: 038003-038003
  • DOI: 10.7567/jjap.55.038003
  • NAID: 210000146158
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Chemical Vapor Deposition Growth of Graphene and Related Materials (2015)
  • Author(s): R. Kitaura, Y. Miyata, R. Xiang, J. Hone, J. Kong, R. S Ruoff, S. Maruyama
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 84 Issue: 12 Pages: 121013-121013
  • DOI: 10.7566/jpsj.84.121013
  • NAID: 210000133753
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Microscopic basis for the band engineering of Mo1-xWxS2-based heterojunction (2015)
  • Author(s): S. Yoshida, Y. Kobayashi, R. Sakurada, S. Mori, Y. Miyata, H. Mogi, T. Koyama, O. Takeuchi, H. Shigekawa
  • Journal Title: Sci. Rep. Volume: 5 Issue: 1 Pages: 14808-14808
  • DOI: 10.1038/srep14808
  • NAID: 120007136051
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Selective Formation of Zigzag Edges in Graphene Cracks (2015)
  • Author(s): M. Fujihara, R. Inoue, R. Kurita, T. Taniuchi, Y. Motoyui, S. Shin, F. Komori, Y. Maniwa, H. Shinohara, Y. Miyata
  • Journal Title: ACS Nano Volume: 9 Issue: 9 Pages: 9027-9033
  • DOI: 10.1021/acsnano.5b03079
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Bandgap-tunable lateral and vertical heterostructures based on monolayer Mo1-xWxS2 alloys (2015)
  • Author(s): Y. Kobayashi, S. Mori, Y. Maniwa, Y. Miyata
  • Journal Title: Nano Res., 8 (2015) Volume: 8 Issue: 10 Pages: 3261-3271
  • DOI: 10.1007/s12274-015-0826-7
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Growth and Optical Properties of High-Quality Monolayer WS2 on Graphite (2015)
  • Author(s): Y. Kobayashi, S. Sasaki, S. Mori, H. Hibino, Z. Liu, K. Watanabe, T. Taniguchi, K. Suenaga, Y. Maniwa, Y. Miyata
  • Journal Title: ACS Nano Volume: 未定 Issue: 4 Pages: 4056-4063
  • DOI: 10.1021/acsnano.5b00103
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Fabrication and Optical Probing of Highly Extended, Ultrathin Graphene Nanoribbons in Carbon Nanotubes (2015)
  • Author(s): H.E. Lim, Y. Miyata, M. Fujihara, S. Okada, Z. Liu, Arifin, K. Sato, H. Omachi, R. Kitaura, S. Irle, K. Suenaga, H. Shinohara
  • Journal Title: ACS nano Volume: 未確定 Issue: 5 Pages: 5034-5040
  • DOI: 10.1021/nn507408m
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] CVD growth of atomically-thin transition metal dichalcogenides and their heterostructures (2016)
  • Author(s): Y. Miyata
  • Organizer: JSAP-KPS joint symposium in JSAP spring meeting 2016
  • Place of Presentation: 東京工業大学
  • Year and Date: 2016-03-19
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Bandgap-tunable lateral and vertical heterostructures based on monolayer Mo1-xWxS2 alloys (2015)
  • Author(s): Y. Kobayashi, S. Mori, Y. Maniwa, Y. Miyata
  • Organizer: Pacifichem 2015
  • Place of Presentation: Honolulu, Hawaii, USA
  • Year and Date: 2015-12-17
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Y. Kobayashi, S. Mori, S. Sasak, Y. Maniwa, Y. Miyata (2015)
  • Author(s): andgap tunable lateral and vertical heterostructures based on MoS2/WS2 monolayers
  • Organizer: MRS fall meeting
  • Place of Presentation: Boston, Massachusetts, USA
  • Year and Date: 2015-12-01
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] CVD growth of atomically-thin transition metal dichalcogenides and their heterostructures (2015)
  • Author(s): Y. Miyata
  • Organizer: 2015 interanational conference on solid state devices and materials (SSDM2015)
  • Place of Presentation: 北海道札幌市
  • Year and Date: 2015-09-27
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 遷移金属ダイカルコゲナイド原子層の成長と機能開拓 (2015)
  • Author(s): 宮田耕充
  • Organizer: 第４９回日本セラミックス協会基礎科学部会セミナー
  • Place of Presentation: 愛知県名古屋市
  • Year and Date: 2015-07-17
  • Invited
• [Presentation] WS2/MoS2ヘテロ構造の2段階成長と評価 (2015)
  • Author(s): 森勝平、真庭豊、 宮田耕充
  • Organizer: 第62回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: 東海大学
  • Year and Date: 2015-03-11 – 2015-03-14
• [Presentation] Growth and Optical Properties of High-Quality WS2 Monolayers on Graphite (2015)
  • Author(s): 宮田耕充、小林佑、佐々木將吾、森勝平、真庭豊、 谷口尚、渡辺賢司、日比野浩樹
  • Organizer: APS March Meeting 2015
  • Place of Presentation: San Antonio, Texa
  • Year and Date: 2015-03-02 – 2015-03-06
• [Presentation] Growth of High-Quality WS2 Monolayers on Graphite (2015)
  • Author(s): 小林佑、佐々木將吾、森勝平、日比野浩樹、谷口尚、渡辺賢司、真庭豊、 宮田耕充
  • Organizer: 第48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
  • Place of Presentation: 東京大学
  • Year and Date: 2015-02-21 – 2015-02-23
• [Presentation] Two-step growth of characterization of WS2/MoS2 heterostructures (2015)
  • Author(s): 森勝平、真庭豊、 宮田耕充
  • Organizer: 第48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
  • Place of Presentation: 東京大学
  • Year and Date: 2015-02-21 – 2015-02-23
• [Presentation] Combinatorial synthesis of single-layer Mo1-xWxS2 by sulfurization of patterned oxide thin films (2014)
  • Author(s): 小林佑、森勝平、真庭豊、宮田耕充
  • Organizer: Recent Progress in Graphene Research (RPGR 2014)
  • Place of Presentation: 台湾
  • Year and Date: 2014-09-21 – 2014-09-25
• [Presentation] Synthesis and characterization of two-dimensional semiconductor heterostructures based on transition metal dichalcogenides (2014)
  • Author(s): 森勝平、真庭豊、宮田耕充
  • Organizer: Recent Progress in Graphene Research (RPGR 2014)
  • Place of Presentation: 台湾
  • Year and Date: 2014-09-21 – 2014-09-25
• [Presentation] 薄膜硫化法によるMoxW1-xS2ヘテロ構造の合成と評価 (2014)
  • Author(s): 小林佑、森勝平、真庭豊、宮田耕充
  • Organizer: 第75回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 北海道大学
  • Year and Date: 2014-09-17 – 2014-09-20
• [Presentation] インジウムはんだを利用した遷移金属ダイカルコゲナイドの電気伝導特性評価 (2014)
  • Author(s): 井上凌介、小林佑、森勝平、真庭豊、宮田耕充
  • Organizer: 第75回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 北海道大学
  • Year and Date: 2014-09-17 – 2014-09-20
• [Presentation] One-step synthesis of heterostructures based on transition metal dichalcogenides by thin-film sulfurization (2014)
  • Author(s): 小林佑、森勝平、真庭豊、宮田耕充
  • Organizer: 第47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
  • Place of Presentation: 名古屋大学
  • Year and Date: 2014-09-03 – 2014-09-05
• [Presentation] Optical properties of transition metal dichalcogenides grown by thin-film sulfurization (2014)
  • Author(s): 犬飼絵理、小林佑、宮田耕充、真庭豊、篠原久典
  • Organizer: 第47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
  • Place of Presentation: 名古屋大学
  • Year and Date: 2014-09-03 – 2014-09-05
• [Presentation] 原子層ヘテロ構造の結晶成長 (2014)
  • Author(s): 宮田耕充
  • Organizer: 第４回フラーレン・ナノチューブ・グラフェン若手研究会、
  • Place of Presentation: 名古屋大学
  • Year and Date: 2014-09-02
  • Invited
• [Presentation] カーボンナノ構造をテンプレートとして 利用した機能性材料の開発 (2014)
  • Author(s): 宮田耕充
  • Organizer: 第42回 東北地区高分子若手研究会夏季ゼミナール
  • Place of Presentation: 山形県
  • Year and Date: 2014-07-29
  • Invited