Design and production of the semiconducting graphene

2022 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 19H01823
• Research Institution: Tokyo Institute of Technology
• Principal Investigator: 齋藤 晋 東京工業大学, 理学院, 教授 (00262254)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 豊田 雅之 東京工業大学, 理学院, 助教 (30536587) ; 平山 博之 東京工業大学, 理学院, 教授 (60271582) ; 橋詰 富博 東京工業大学, 理学院, 特任教授 (70198662)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: グラフェン / 半導体 / 電子構造計算 / STM

Outline of Annual Research Achievements

これまでの研究で、グラフェン系は六方格子、長方格子、斜方格子の周期で構造修飾を施すことにより、本来の第一ブリルアンゾーン内に二つ存在するディラックコーンが同一の波数ベクトルの点で重なることにより半導体化し、バンドギャップを持つことが判明した。そして、精密な第一原理電子構造計算に基づいて、いくつかの系について系統的に構造周期を変化させることでバンドギャップがどの様に変化するかを詳細に調べてきたが、興味深いことに、長方格子の場合、長辺と短辺の積、即ち、単位胞の面積のみでほぼ定まるバンドギャップが現れることが判明した。また、前年に判明した蜂の巣格子の周期で三角形型の穴を開ける構造修飾を施した場合のバンドギャップ値の特異な変化について、さらなる解析を進めた結果、グラフェンナノリボンとの関連のある興味深い系であることが判明した。
実験研究展開では、イオンビームを用いたグラフェンの周期構造修飾実験において、実際に設計した通りの周期で構造修飾が行われたことをSTM測定により確認することができた。今後、構造修飾の周期をより短くすることで、半導体素材として有用なバンドギャップ値を持つグラフェンの合成に繋がる、基本となる成果と位置付けられる。さらに、Cu基板上のグラフェンにおいて、グラフェンと基盤のCu表面の間にBiを周期的にインターカレーとすることに成功した。これも、インターカレーションによるグラフェンの電子構造改変と半導体化研究の基本となる成果と位置付けられる。

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] University College London(英国)
  • Country Name: UNITED KINGDOM
  • Counterpart Institution: University College London
• [Journal Article] Direct Imaging of Band Structure for Powdered Rhombohedral Boron Monosulfide by Microfocused ARPES (2023)
  • Author(s): K. Sugawara, H. Kusaka, T. Kawakami, K. Yanagizawa, A. Honma, S. Souma, K. Nakayama, M. Miyakawa, T. Taniguchi, M. Kitamura, K. Horiba, H. Kumigashira, T. Takahashi, S. Orimo, M. Toyoda, S. Saito, T. Kondo, and T. Sato
  • Journal Title: Nano Letters Volume: 23 Pages: 1673-1679
  • DOI: 10.1021/acs.nanolett.2c04048
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Rhombohedral Boron Monosulfide as a p-Type Semiconductor (2023)
  • Author(s): N. Watanabe, K. Miyazaki, M. Toyoda, K. Takeyasu, N. Tsujii, H. Kusaka, A. Yamamoto, S.Saito, M. Miyakawa, T. Taniguchi, T. Aizawa, T. Mori, M. Miyauchi, and T. Kondo
  • Journal Title: Molecules Volume: 28 Pages: 1896-1～9
  • DOI: 10.3390/molecules28041896
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Electronic properties of graphene with triangular defects in a superhoneycomb arrangement: A first-principles study (2023)
  • Author(s): Y. Taguchi, M. Toyoda, and S. Saito
  • Journal Title: Physical Review B Volume: in press Pages: -
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Detection of Environmentally Toxic Molecules Using Carbon Nanotubes: A First-Principles Theoretical Study (2022)
  • Author(s): Y. Fujimoto and S. Saito
  • Journal Title: Journal of The Electrochemical Society Volume: 169 Pages: 037512-1～6
  • DOI: 10.1016/j.jnoncrysol.2022.121670
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A new transferable tight-binding model for boron and its application to amorphous boron (2022)
  • Author(s): C.M. J. Chan, M. Toyoda, and S. Saito
  • Journal Title: Journal of Non-Crystalline Solids Volume: 590 Pages: 121670-1～12
  • DOI: 10.1016/j.jnoncrysol.2022.121670
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Van Hove singularity and Lifshitz transition in thickness-controlled Li-intercalated graphene (2022)
  • Author(s): S. Ichinokura, M. Toyoda, M. Hashizume, K. Horii, S. Kusaka, S. Ideta, K. Tanaka, R. Shimizu, T. Hitosugi, S. Saito, and T. Hirahara
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 105 Pages: 235307-1～6
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.105.235307
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Liが侵入したグラフェンにおける層数依存Lifshitz転移 (2022)
  • Author(s): 一ノ倉 聖 , 豊田 雅之, 斎藤 晋, 平原 徹
  • Journal Title: 表面と真空 Volume: 65 Pages: 502-507
  • DOI: 10.1380/vss.65.502
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Investigation of carrier properties of rhombohedral boron sulfide (2023)
  • Author(s): N. Watanabe, K. Miyazaki, M. Toyoda, K. Takeyasu,N. Tsujii, H. Kusaka, A. Yamamoto, S. Saito,M. Miyakawa, T. Taniguchi, T. Aizawa, T. Mori, M. Miyauchi, and T. Kondo
  • Organizer: 第15回 日本ホウ素・ホウ化物研究会
• [Presentation] Forty years of research on nanostructured carbon materials (2023)
  • Author(s): Susumu Saito
  • Organizer: 64th Fullerenes, Nanotubes, and Graphene General Symposium
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] ew carbon allotropes and their B-doped phases as candidate for Q-carbon materials with magnetic and superconducting properties (2023)
  • Author(s): R. Kita, M. Toyoda, and S. Saito
  • Organizer: American Physical Society 2023 March Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 金属挿入二層グラフェンの電子状態 (2023)
  • Author(s): 豊田雅之, 斎藤晋
  • Organizer: 日本物理学会2023 年春季大会
• [Presentation] 三角形状の欠陥を蜂の巣格子状に導入したグラフェンのバンドギャップの振る舞い (2023)
  • Author(s): 田口裕太, 豊田雅之, 平山元昭, 三宅隆, 斎藤晋
  • Organizer: 日本物理学会2023 年春季大会
• [Presentation] 超伝導体C6CaC6 とSiC 基板の界面Ca が誘起する金属的バンドと転移温度の上昇 (2023)
  • Author(s): 徳田啓, 一ノ倉聖, 豊田雅之, 田中清尚, 斎藤晋, 平原徹
  • Organizer: 日本物理学会2023 年春季大会
• [Presentation] Ca がインターカレートした2 層グラフェンにおけるCa-3d 軌道の価電⼦帯への寄与 (2023)
  • Author(s): ⼀ノ倉聖, 豊田雅之, 德田啓, 中清尚, 斎藤晋, 平原徹
  • Organizer: 日本物理学会2023 年春季大会
• [Presentation] Electronic structure and intertube interactions in ropes of carbon nanotubes (2022)
  • Author(s): B. Hasegawa, Y. Fujimoto, and S. Saito
  • Organizer: 63rd Fullerenes, Nanotubes, and Graphene General Symposium
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Ca インターカレート2 層グラフェンに過剰なCaが誘起する自由電子バンド (2022)
  • Author(s): 德田啓, 一ノ倉聖, 豊田雅之, 田中清尚, 斎藤晋, 平原徹
  • Organizer: 日本物理学会2022年秋季大会
• [Presentation] ong-Range Transferable Total-Energy Tight-Binding Model for Boron and Carbon: Its Application to the Structural Analysis of Amorphous and Nanostructured Materials (2022)
  • Author(s): C. -M. J. Chan, M. Toyoda,and S. Saito
  • Organizer: 12th A3 Symposium on Emerging Materials: Nanomaterials for Electronics, Energy, and Environment
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Caインターカレート2層グラフェンに 過剰なCaが誘起する自由電子バンド (2022)
  • Author(s): 德田啓, 一ノ倉聖, 豊田雅之, 田中清尚, 斎藤晋, 平原徹
  • Organizer: UVSORシンポジウム2022
• [Presentation] カルシウム侵入2 層グラフェンにおけるp 軌道とd 軌道の混成 (2022)
  • Author(s): 一ノ倉聖、豊田雅之、德田啓、田中清尚、斎藤晋、平原徹
  • Organizer: UVSORシンポジウム2022
• [Presentation] Transferable Total-Energy Tight-Binding Model for Second-Row Elements: An Extension from Carbon to Boron and its Application to Amorphous and Nanostructured Materials (2022)
  • Author(s): C. -M. J. Chan, M. Toyoda, and S. Saito
  • Organizer: Defect Functionalized Sustainable Energy Materials: From Design to Devices Application
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Periodically Modified Graphene with triangular defects in a superhoneycomb arrangement: A new class of semiconductor graphene for band-gap engineering with new scaling law (2022)
  • Author(s): Y. Taguchi, M. Toyoda, and S. Saito
  • Organizer: Defect Functionalized Sustainable Energy Materials: From Design to Devices Application
  • Int'l Joint Research