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2023 Fiscal Year Annual Research Report

Development of Analysis Methods for 2.5 Dimensional Structures

Planned Research

Project AreaScience of 2.5 Dimensional Materials: Paradigm Shift of Materials Science Toward Future Social Innovation
Project/Area Number 21H05235
Research InstitutionKyoto University

Principal Investigator

松田 一成  京都大学, エネルギー理工学研究所, 教授 (40311435)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 末永 和知  大阪大学, 産業科学研究所, 教授 (00357253)
西堀 英治  筑波大学, 数理物質系, 教授 (10293672)
坂野 昌人  東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 助教 (70806629)
Project Period (FY) 2021-09-10 – 2026-03-31
Keywords2.5次元物質 / 分析技術
Outline of Annual Research Achievements

学術変革領域(A)「2.5次元物質科学」において、本分析班(A03班)の役割は、2.5次元物質で発現する特異な構造や電子状態の解明に資する分析手法や技術を開発し、その学術の発展を支えることにある。具体的には、本班が供する先端分析技術やそこから明らかとなる学術的知見を通して、集積化を含む物質創製や新奇物性、機能創出によるデバイス応用研究などを支援するとともに、「2.5次元物質科学」の基盤となる分析科学の学理を担う事を目的としている。
2.5次元物質の研究に最適化した先端光学分析手法の高度化を進めた。特に、二次元物質を積層し生じるモアレ構造などの特異な電子系を対象として、極低温発光分光、コヒーレント時間分解分光などの先端光学手法を適用し、その量子光学特性を明らかにできた。電子顕微鏡技術については、その原子レベル構造と光学特性の関連付けを目指した研究を行った。モアレ構造や内包構造について、電子顕微鏡を用いてその原子レベル構造を明らかにしながら電子分光による吸収測定を行い、その特異な物性を明らかにした。角度分解光電子分光を用いた研究に関しては、これまでに二次元物質におけるバンド構造を精密に測定する手法を確立しており、それを用いて天然には存在しない二次元結晶やその複雑積層体における電子構造の直接計測を行った。さらに、角度分解光電子分光測定と電子回折およびX線回折を用いた結晶構造の精密構造評価を併用することで、電子構造と結晶構造の関係を相補的に明らかにする技術の開発を進めた。X線回折技術として、グラフェンインタカレーションのその場観察実験を行った。また、SPring-8のタンパク質構造解析ビームラインおよびナノビームX線回折ビームラインを用いた、10マイクロメートルサイズのデバイスの構造評価を開始し、それらの実験を行うための実験環境の整備を行った。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

先端光学分光技術については、第二高調波発生によるヘテロ構造のツイスト角度を、測定と解析手法の高度化により、精度よくかつ高速に計測可能となり、領域内外の共同研究に供した。また、コヒーレント時間分解分光などの先端光学手法を確立し、モアレ励起子が関与する量子光学特性を明らかにできた。電子顕微鏡技術として、二層グラフェンのモアレ構造に依存した光学遷移について実験的に測定することが可能になった。価電子損失スペクトルではそのモアレ依存性を測定することが以前から可能であったが、今回は内殻励起スペクトルにおいてもモアレに由来する吸収が測定できることが明らかになった。これにより、モアレユニット内での励起子特性が調べられるようになる。光電子分光技術として、天然には存在しない結晶構造を有する二次元結晶のツイスト積層体や、単層ヤヌス遷移金属ダイカルコゲナイド、歪みを加えた単層遷移金属ダイカルコゲナイドを研究対象として、顕微角度分解光電子分光による電子構造の観測を行った。積層や元素置換、歪みによる結晶構造の対称性の制御によって変化したバンド構造を直接観測することが可能となった。また、精密X線回折技術として、タンパク質構造解析ビームライン、ナノビームX線回折ビームラインともにマイクロメートルサイズのデバイスの評価が十分可能であることを示すことができつつある。現在は、面間のみではなく、面内の構造を調べるための解析環境の整備を進めている。若干の変更で、単結晶構造解析に使用されているソフトウェアを援用可能なことが判明し、測定した試料の単位格子で見たa,b,c軸方向を特定することができつつある。
上記の進展を鑑みて、当初の計画以上に研究が進展していると判断した。

Strategy for Future Research Activity

本年度に引き続き、2.5次元物質の研究のための様々な分析手法の開発と高度化を進め、それを領域内外に広く提供し共同研究を推進する予定である。特に、この系に合わせて最適化した新たな先端光学計測を構築し、引き続き、モアレ構造における特異な量子光学特性に関する情報を得る。また、グラフェンや遷移金属ダイカルコゲナイドにおいて、アルカリ金属ドープの構造・物性に及ぼす影響について明らかにしていく予定である。またp型のインターカラントについてもさらにその特異な性質を調べていく。また二次元物質の損失関数について、動的散乱の影響を定量的に明らかにしていく予定である。顕微角度分解光電子分光による電子構造の直接観測と、超高速電子顕微鏡および超短パルスX線自由電子レーザーや放射光光源を用いた、X線構造解析による結晶構造の直接計測を相補的に組み合わせることによって、新たな二次元結晶やそのツイスト積層体における物性開拓の研究を進めていく。また、インタカレーションを成功させるために、大型の試料を搭載可能なチャンバーの設計を進めている。これを使うことで5㎜角や10㎜角の試料を用いたインタカレーション実験が可能となる。インタカレーション済みの複数層グラフェンの回折データ測定から、5㎜角のサイズがあれば十分に回折データを測定できることが判明しているため、装置が完成すればインタカレーションのその場観察が実施できると期待している。また、ナノデバイス評価についてはX線照射位置の精密決定ができていないため、これを行うための手法開発を進める予定である。

  • Research Products

    (25 results)

All 2024 2023

All Journal Article (12 results) (of which Int'l Joint Research: 6 results,  Peer Reviewed: 12 results,  Open Access: 5 results) Presentation (10 results) (of which Int'l Joint Research: 8 results,  Invited: 10 results) Book (3 results)

  • [Journal Article] Unveiling the orbital-selective electronic band reconstruction through the structural phase transition in TaTe22024

    • Author(s)
      Mitsuishi Natsuki、Sugita Yusuke、Akiba Tomoki、Takahashi Yuki、Sakano Masato、Horiba Koji、Kumigashira Hiroshi、Takahashi Hidefumi、Ishiwata Shintaro、Motome Yukitoshi、Ishizaka Kyoko
    • Journal Title

      Physical Review Research

      Volume: 6 Pages: 013155

    • DOI

      10.1103/PhysRevResearch.6.013155

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Shift‐Current Photovoltaics Based on a Non‐Centrosymmetric Phase in In‐Plane Ferroelectric SnS2023

    • Author(s)
      Chang Yih‐Ren、Nanae Ryo、Kitamura Satsuki、Nishimura Tomonori、Wang Haonan、Xiang Yubei、Shinokita Keisuke、Matsuda Kazunari、Taniguchi Takashi、Watanabe Kenji、Nagashio Kosuke
    • Journal Title

      Advanced Materials

      Volume: 35 Pages: 2301172

    • DOI

      10.1002/adma.202301172

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Dynamics of Moire Trion and Its Valley Polarization in a Microfabricated WSe2/MoSe2 Heterobilayer2023

    • Author(s)
      Kim Heejun、Dong Duanfei、Okamura Yuki、Shinokita Keisuke、Watanabe Kenji、Taniguchi Takashi、Matsuda Kazunari
    • Journal Title

      ACS Nano

      Volume: 17 Pages: 13715~13723

    • DOI

      10.1021/acsnano.3c02952

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Symmetry Engineering in Twisted Bilayer WTe22023

    • Author(s)
      Zhang Yijin、Kamiya Keisuke、Yamamoto Takato、Sakano Masato、Yang Xiaohan、Masubuchi Satoru、Okazaki Shota、Shinokita Keisuke、Chen Tongmin、Aso Kohei、Yamada-Takamura Yukiko、Oshima Yoshifumi、Watanabe Kenji、Taniguchi Takashi、Matsuda Kazunari、Sasagawa Takao、Ishizaka Kyoko、Machida Tomoki
    • Journal Title

      Nano Letters

      Volume: 23 Pages: 9280~9286

    • DOI

      10.1021/acs.nanolett.3c02327

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Dynamics of Moire Exciton in a Twisted MoSe2/WSe2 Heterobilayer2023

    • Author(s)
      Kim Heejun、Aino Kumpei、Shinokita Keisuke、Zhang Wenjin、Watanabe Kenji、Taniguchi Takashi、Matsuda Kazunari
    • Journal Title

      Advanced Optical Materials

      Volume: 11 Pages: 2300146

    • DOI

      10.1002/adom.202300146

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] High-throughput dry transfer and excitonic properties of twisted bilayers based on CVD-grown transition metal dichalcogenides2023

    • Author(s)
      Naito Hibiki、Makino Yasuyuki、Zhang Wenjin、Ogawa Tomoya、Endo Takahiko、Sannomiya Takumi、Kaneda Masahiko、Hashimoto Kazuki、Lim Hong En、Nakanishi Yusuke、Watanabe Kenji、Taniguchi Takashi、Matsuda Kazunari、Miyata Yasumitsu
    • Journal Title

      Nanoscale Advances

      Volume: 5 Pages: 5115~5121

    • DOI

      10.1039/D3NA00371J

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Excitonic Effects in Energy-Loss Spectra of Freestanding Graphene2023

    • Author(s)
      Guandalini Alberto、Senga Ryosuke、Lin Yung-Chang、Suenaga Kazu、Ferretti Andrea、Varsano Daniele、Recchia Andrea、Barone Paolo、Mauri Francesco、Pichler Thomas、Kramberger Christian
    • Journal Title

      Nano Letters

      Volume: 23 Pages: 11835~11841

    • DOI

      10.1021/acs.nanolett.3c03863

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Molybdenum Chloride Nanostructures with Giant Lattice Distortions Intercalated into Bilayer Graphene2023

    • Author(s)
      Liu Qiunan、Lin Yung-Chang、Kretschmer Silvan、Ghorbani-Asl Mahdi、Solis-Fernandez Pablo、Siao Ming-Deng、Chiu Po-Wen、Ago Hiroki、Krasheninnikov Arkady V.、Suenaga Kazu
    • Journal Title

      ACS Nano

      Volume: 17 Pages: 23659~23670

    • DOI

      10.1021/acsnano.3c06958

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Pressure-induced reversal of Peierls-like distortions elicits the polyamorphic transition in GeTe and GeSe2023

    • Author(s)
      Fujita Tomoki、Chen Yuhan、Kono Yoshio、Takahashi Seiya、Kasai Hidetaka、Campi Davide、Bernasconi Marco、Ohara Koji、Yumoto Hirokatsu、Koyama Takahisa、Yamazaki Hiroshi、Senba Yasunori、Ohashi Haruhiko、Inoue Ichiro、Hayashi Yujiro、Yabashi Makina、Nishibori Eiji、Mazzarello Riccardo、Wei Shuai
    • Journal Title

      Nature Communications

      Volume: 14 Pages: 7851

    • DOI

      10.1038/s41467-023-43457-y

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Pair Distribution Function from Liquid Jet Nanoparticle Suspension using Femtosecond X‐ray Pulses2023

    • Author(s)
      Stockler Lise Joost、Christensen Rasmus Stubkjer、Klove Magnus、Bertelsen Andreas Dueholm、Borup Anders Bak、Krause Lennard、Takahashi Seiya、Fujita Tomoki、Kasai Hidetaka、Inoue Ichiro、Nishibori Eiji、Iversen Bo Brummerstedt
    • Journal Title

      ChemPhysChem

      Volume: 24 Pages: e202300407

    • DOI

      10.1002/cphc.202300407

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Synchrotron X-ray powder diffraction under high pressures up to 33MPa for mechanoresponsive materials2023

    • Author(s)
      Kasai Hidetaka、Liu Jianqiao、Xu Chao-Nan、Nishibori Eiji
    • Journal Title

      Journal of Synchrotron Radiation

      Volume: 30 Pages: 555~560

    • DOI

      10.1107/S160057752300108X

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Charge transfer engineering to achieve extraordinary power generation in GeTe-based thermoelectric materials2023

    • Author(s)
      Liu Chengyan、Zhang Zhongwei、Peng Ying、Li Fucong、Miao Lei、Nishibori Eiji、Chetty Raju、Bai Xiaobo、Si Ruifan、Gao Jie、Wang Xiaoyang、Zhu Yanqiu、Wang Nannan、Wei Haiqiao、Mori Takao
    • Journal Title

      Science Advances

      Volume: 9 Pages: eadh071

    • DOI

      10.1126/sciadv.adh0713

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Presentation] 二次元半導体人工ヘテロ構造におけるモアレ光科学とその応用2024

    • Author(s)
      松田一成
    • Organizer
      第71回応用物理学会春季学術講演会
    • Invited
  • [Presentation] Quantum optics based on moire excitonic systems in artificial van der Waals semiconducting heterostructures2023

    • Author(s)
      Kazunari Matsuda
    • Organizer
      13th A3 Symposium on Emerging Materials: Nanomaterials for Electronics, Energy, and Environment
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] ナノサイエンスによる二次元半導体の光科学とその進展2023

    • Author(s)
      松田一成
    • Organizer
      光圧マニュピレーション研究会
    • Invited
  • [Presentation] Recent progress on optical physics in two-dimensional materials and its hetero-structures2023

    • Author(s)
      Kazunari Matsuda
    • Organizer
      The 13th A3 Symposium on Emerging Materials
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Optical science in nanocarbon and artificial atomically thin 2D materials2023

    • Author(s)
      Kazunari Matsuda
    • Organizer
      Japan-US Network for Clean Energy Technologies Involving Oriented Nanotubes in PIRE program
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Optical science in two-dimensional material and its hetero-structures2023

    • Author(s)
      Kazunari Matsuda
    • Organizer
      The 12th A3 Symposium on Emerging Materials
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Electron Microscopy and Spectroscopy of Low-Dimensional Hybrid Materials Arcachon France2023

    • Author(s)
      Kazu Suenaga
    • Organizer
      NT23
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Direct observation of electronic structures in atomically thin flakes by using micro-focused angle-resolved photoemission spectroscopy2023

    • Author(s)
      Masato Sakano
    • Organizer
      JSAP-Optica Joint Symposia 2023
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Breaking of spatial inversion symmetry in anti-parallel-stacked transition metal dichalcogenides2023

    • Author(s)
      Masato Sakano
    • Organizer
      Superstripes 2023
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Time resolved charge density study of diamond in non-thermal melting2023

    • Author(s)
      Eiji Nishibori
    • Organizer
      IUCr2023
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [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)
      坂野昌人
    • Total Pages
      326
    • Publisher
      シーエムシー出版
    • ISBN
      978-4-7813-1758-8
  • [Book] 固体物理2023

    • Author(s)
      松田一成
    • Total Pages
      204
    • Publisher
      アグネ技術センター
  • [Book] 固体物理2023

    • Author(s)
      越野幹人、松田一成。岩佐義宏
    • Total Pages
      204
    • Publisher
      アグネ技術センター

URL: 

Published: 2024-12-25  

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