Creation of new two-dimensional materials composed by typical elements

2021 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 19H02551
• Research Institution: University of Tsukuba
• Principal Investigator: 近藤 剛弘 筑波大学, 数理物質系, 准教授 (70373305)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: ホウ化水素 / 硫化ホウ素 / ボロフェン / ボロファン

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は、我々が世界で初めて合成に成功して2017年に論文報告をしたホウ化水素シートと、最近合成に成功した硫化ホウ素シートを基軸として用い、新しい性質を有する典型元素で構成される新規2次元物質群を創出することです。本年度は、まずホウ化水素シートが水に対して安定であることを実験的に示し、その起源が負に帯電したホウ素が共有結合性のネットワークを作っていることであることを大阪大学の濱田准教授らとの共同研究で明らかにしました。この成果はNature姉妹紙であるCommunications Materialsに論文が掲載されました。次に菱面体硫化ホウ素がホウ素と硫黄で構成される共有結合性の半導体であり、空間群R-3mに帰属される菱面体晶系の構造であることをX線回折のリートベルト解析から明らかにしました。菱面体硫化ホウ素はホウ素と硫黄を1：1の原子数比で混ぜた後に5.5 GPaで1873 Kに加熱することで99.2％以上の純度で単相で得られることがわかりました。そして菱面体硫化ホウ素をスコッチテープで物理的に劈開することで硫化ホウ素ナノシートが得られることを世界で初めて実験的に明らかにしました。これらは不活性ガス中で700 Kまで安定で水に対しても化学的に安定であることも明らかにしました。また、硫化ホウ素シートと菱面体硫化ホウ素の混合物はアセトニトリル中でそれぞれ上澄み液分散物と沈殿物に分離できることも明らかにしました。さらに、硫化ホウ素シートは層数でバンドギャップが変わる半導体であることを明らかにし、この性質を利用した光駆動電気化学スイッチングデバイスのデモンストレーションにも成功しました。これらの成果は英国王立化学会誌Journal of Materials Chemistry Aに掲載されました。

Research Progress Status

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Tsinghua University(中国)
  • Country Name: CHINA
  • Counterpart Institution: Tsinghua University
• [Int'l Joint Research] Sorbonne Universite(フランス)
  • Country Name: FRANCE
  • Counterpart Institution: Sorbonne Universite
• [Int'l Joint Research] De La Salle University(フィリピン)
  • Country Name: PHILIPPINES
  • Counterpart Institution: De La Salle University
• [Journal Article] Ethanol-ethylene conversion mechanism on hydrogen boride sheets probed by in situ infrared absorption spectroscopy (2021)
  • Author(s): Asahi Fujino, Shin-ichi Ito, Taiga Goto, Ryota Ishibiki, Ryota Osuga, Junko Nomura Kondo, Tadahiro Fujitani, Junji Nakamura, Hideo Hosono, Takahiro Kondo
  • Journal Title: Physical Chemistry Chemical Physics Volume: 23 Pages: 7724-7734
  • DOI: 10.1039/D0CP03079A
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Chemical stability of hydrogen boride nanosheets in water (2021)
  • Author(s): Kurt Irvin Rojas, Nguyen Thanh Cuong, Hiroaki Nishino, Ryota Ishibiki, Shin-ichi Ito, Masahiro Miyauchi, Yoshitaka Fujimoto, Satoshi Tominaka, Susumu Okada, Hideo Hosono, Nelson Jr., Arboleda, Takahiro Kondo, Yoshitada Morikawa, Ikutaro Hamada
  • Journal Title: Communications Materials 2 (2021) 81. (8 pages) Volume: 2 Pages: 81-1~8
  • DOI: 10.1038/s43246-021-00184-5
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Electronic structure of a borophene layer in rare-earth aluminum/chromium boride and its hydrogenated derivative, borophane (2021)
  • Author(s): Masahito Niibe, Mathis Cameau, Nguyen Thanh Cuong, Omeji Ilemona Sunday, Xiaoni Zhang, Yuki Tsujikawa, Susumu Okada, Kunio Yubuta, Takahiro Kondo, and Iwao Matsuda
  • Journal Title: Physical Review Materials Volume: 5 Pages: 084007-1~8
  • DOI: 10.1103/PhysRevMaterials.5.084007
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Fabrication of Hydrogen Boride Thin Film by Ion Exchange in MgB2 (2021)
  • Author(s): T. Hirabayashi, S. Yasuhara, S. Shoji, A. Yamaguchi, H. Abe, S. Ueda, H. Zhu, T. Kondo, and M. Miyauchi
  • Journal Title: Molecules Volume: 26 Pages: 6212-1~11
  • DOI: 10.3390/molecules26206212
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Crystalline boron monosulfide nanosheets with tunable bandgaps (2021)
  • Author(s): H. Kusaka, R. Ishibiki, M. Toyoda, T. Fujita, T. Tokunaga, A. Yamamoto , M. Miyakawa, K. Matsushita, K. Miyazaki, L. Li, S. L. Shinde, M. Lima, T. Sakurai, E. Nishibori, T. Masuda, K. Horiba, K. Watanabe, S. Saito, M. Miyauchi, T. Taniguchi, H. Hosono and T. Kondo
  • Journal Title: Journal of Materials Chemistry A Volume: 9 Pages: 24631-24640
  • DOI: 10.1039/D1TA03307G
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] ホウ化水素シート（ボロファン） (2021)
  • Author(s): 近藤剛弘
  • Journal Title: 「触媒技術の動向と展望」（触媒年鑑） Volume: 0 Pages: 143-152
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Hydrogen Boride sheets and Boron Monosulfide sheets (2022)
  • Author(s): Takahiro Kondo
  • Organizer: International Conference on Emerging Trends in Nanomaterials Science & Technology (ICETNMST 2022)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Vibration-driven reaction of CO2 on the solid surface (2022)
  • Author(s): Takahiro Kondo
  • Organizer: 日本物理学会第77回年次大会シンポジウム, New frontiers of surface, interface, and nano science toward dissipation phenomena
  • Invited
• [Presentation] 軽元素原子層の化学 (2022)
  • Author(s): 近藤剛弘
  • Organizer: 日本表面真空学会支部研究会「表面科学と原子層科学のエッジ」
  • Invited
• [Presentation] 可変バンドギャップを持つ硫化ホウ素ナノシートの生成と評価 (2022)
  • Author(s): 日下 陽貴, 石引 涼太, 豊田 雅之, 藤田 武志, 徳永 智春, 山本 明保, 宮川 仁, 松下 恭介, 宮﨑 啓佑, L. Li, S. S. Laxman, M. S. L. Lima, 櫻井 岳暁, 西堀 英治, 増田 卓也, 堀場 弘司, 渡邊 賢司, 齋藤 晋, 宮内 雅浩, 谷口 尚, 細野 秀雄, 近藤 剛弘
  • Organizer: 第14回日本ホウ素・ホウ化物研究発表会
• [Presentation] 二次元ホウ化銅の構造研究 (2022)
  • Author(s): 辻川夕貴, X. Zhang, 堀尾眞史, 松田巌, 望月出海, 和田健, 兵頭俊夫, 近藤 剛弘
  • Organizer: 第14回日本ホウ素・ホウ化物研究発表会
• [Presentation] 2次元ホウ素のディラックフェルミオン (2022)
  • Author(s): 松田巌, X. Zhang, 新部正人, 近藤 剛弘
  • Organizer: 第14回日本ホウ素・ホウ化物研究発表会
• [Presentation] 菱面体硫化ホウ素(r-BS)の光触媒特性 (2022)
  • Author(s): 宮崎啓佑, 日下陽貴, 山口晃, 宮川仁, 谷口尚, 近藤剛弘, 宮内雅浩
  • Organizer: 電気化学学会
• [Presentation] Cu(111)基板上ホウ素の二次元物質の構造決定 (2022)
  • Author(s): 辻川夕貴、Xiaoni Zhang, 望月出海, 和田健, 兵頭俊夫, 堀尾眞史, 近藤剛弘, 松田巌
  • Organizer: 日本物理学会第77回年次大会シンポジウム
• [Presentation] Topological atomic sheet of hydrogen boride, synthesized from YCrB4 (2022)
  • Author(s): X. Zhang, Y. Tsujikawa, M. Niibe, N. T. Cuong, M. Horio, S. Okada, T. Kondo, I. Matsuda
  • Organizer: 日本物理学会第77回年次大会シンポジウム
• [Presentation] イオン交換による金属ホウ化物からの新規 ホウ素化合物の合成 (2022)
  • Author(s): 吉岡ひかり、冨中悟史、Ben Slater、細野秀雄、近藤剛弘
  • Organizer: 日本表面真空学会関東支部セミナー「表面科学と原子層科学のエッジ」
• [Presentation] 新規二次元物質h-BP の高温高圧条件による 合成方法の探索 (2022)
  • Author(s): 渡邉範陳、日下陽貴、山本明保、宮 川仁、谷口尚、近藤剛弘
  • Organizer: 日本表面真空学会関東支部セミナー「表面科学と原子層科学のエッジ」
• [Presentation] MgH2-HB ナノコンポジット合成とその物性評価 (2022)
  • Author(s): 後藤和歩、伊藤伸一、藤田武志、細野秀雄、折茂慎一、近藤剛弘
  • Organizer: 日本表面真空学会関東支部セミナー「表面科学と原子層科学のエッジ」
• [Presentation] ホウ化水素シートによるNi イオンの還元反応 (2022)
  • Author(s): 野口夏未、伊藤伸一、引地美亜、宮内雅浩、近藤剛弘
  • Organizer: 日本表面真空学会関東支部セミナー「表面科学と原子層科学のエッジ」
• [Presentation] Topological atomic sheet of hydrogen boride, synthesized from YCrB4 (2022)
  • Author(s): X. Zhang, Y. Tsujikawa, M. Niibe, N. T. Cuong, M. Horio, S. Okada, T. Kondo, I. Matsuda
  • Organizer: 日本表面真空学会関東支部セミナー「表面科学と原子層科学のエッジ」
• [Presentation] Electronic topological transition of 2D boron by the ion exchange reaction (2022)
  • Author(s): X. Zhang, Y. Tsujikawa, I. Tateishi, M. Niibe, T. Wada, M. Horio, M. Hikichi, Y. Ando, T. Kondo, I. Matsuda
  • Organizer: 公益社団法人 日本表面真空学会2022年度 関東支部講演大会
• [Presentation] ホウ素を含む新しい二次元物質の創出と機能評価 (2021)
  • Author(s): 近藤剛弘
  • Organizer: 第15回 物質科学・学術融合セミナー
  • Invited
• [Presentation] 新規ホウ素含有二次元物質の創出と機能 (2021)
  • Author(s): 近藤剛弘
  • Organizer: 2021年日本表面真空学会学術講演会
  • Invited
• [Presentation] 新規二次元物質ホウ化水素シートと硫化ホウ素シートの生成・評価・機能 (2021)
  • Author(s): 近藤剛弘
  • Organizer: 日本学術振興会先進セラミックス124委員会 第167回研究会 持続可能社会を拓くナノシートセラミックス材料技術
  • Invited
• [Presentation] Electronic Structure of Borophane, studied by X-ray spectroscopy (2021)
  • Author(s): Xiaoni Zhang, Yuki Tsujikawa, Masahito Niibe, Nguyen Thanh Cuong, Masafumi Horio, Susumu Okada, Takahiro Kondo, Iwao Matsuda
  • Organizer: The 9th International Symposium on Surface Science ~Toward Sustainable Development~
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Substitutional doping from boron to carbon in hydrogen boride sheets (2021)
  • Author(s): R. Kawamura, R. Ishibiki, Y. Fujimoto, T. Goto, S. Ito, T. Fujita, T. Tokunaga, M. Miyauchi, S. Iimura, A. Yamamoto, D. Umeyama, S. Tominaka, S. Saito, H. Hosono, and T. Kondo
  • Organizer: The 9th International Symposium on Surface Science ~Toward Sustainable Development~
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Crystalline boron monosulfide nanosheets with tunable bandgaps (2021)
  • Author(s): H. Kusaka, R. Ishibiki, M. Toyoda, T. Fujita, T. Tokunaga, A. Yamamoto, M. Miyakawa, K. Matsushita, K. Miyazaki, L. Li, S. S. Laxman, T. Sakurai, E. Nishibori, T. Masuda, K. Horiba, K.Watanabe, S.Saito, M. Miyauchi, T. Taniguchi, H. Hosono, and T. Kondo
  • Organizer: The 9th International Symposium on Surface Science ~Toward Sustainable Development~
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Composite of MgH2 Nanoparticles and Hydrogen Boride Sheets (2021)
  • Author(s): Kazuho Goto, Shin-ichi Ito, Hideo Hosono, Shin-ichi Orimo, Takahiro Kondo
  • Organizer: The 9th International Symposium on Surface Science ~Toward Sustainable Development~
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] New boride materials consisting of H, Ca, and B (2021)
  • Author(s): Hikari Yoshioka, Satoshi Tominaka, Ben Slater, Hideo Hosono, Takahiro Kondo
  • Organizer: The 9th International Symposium on Surface Science ~Toward Sustainable Development~
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Two-step synthesis method of exfoliated MoS2 nanosheets with advanced properties for catalytic HER (2021)
  • Author(s): Linghui Li, Shinde Satish Laxman, Takahiro Kondo
  • Organizer: The 9th International Symposium on Surface Science ~Toward Sustainable Development~
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Crystalline boron monosulfide nanosheets with tunable bandgaps (2021)
  • Author(s): H. Kusaka, R. Ishibiki, M. Toyoda, T. Fujita, T. Tokunaga, A. Yamamoto, M. Miyakawa, K. Matsushita, K. Miyazaki, L. Li, S. S. Laxman, T. Sakurai, E. Nishibori, T. Masuda, K. Horiba, K. Watanabe, S. Saito, M. Miyauchi, T. Taniguchi, H. Hosono, and T. Kondo
  • Organizer: Materials Research Meeting 2021 (MRM2021)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Substitutional doping from boron to carbon in hydrogen boride sheets (2021)
  • Author(s): Riku Kawamura, Ryota Ishibiki, Yoshitaka Fujimoto, Taiga Goto, Shin-ichi Ito, Takeshi Fujita, Tomoharu Tokunaga, Masahiro Miyauchi, Soshi Iimura, Akiyasu Yamamoto, Daiki Umeyama, Satoshi Tominaka, Susumu Saito, Hideo Hosono and Takahiro Kondo
  • Organizer: Materials Research Meeting 2021 (MRM2021)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Formation of new boride materials by ion exchange between protons and Ca cations in CaB6 (2021)
  • Author(s): Hikari Yoshioka, Satoshi Tominaka, Ben Slater, Hideo Hosono, Takahiro Kondo
  • Organizer: Materials Research Meeting 2021 (MRM2021)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Formation and Characterization of Composite of MgH2 Nanoparticles and Hydrogen Boride Sheets for Efficient Hydrogen Storage Material (2021)
  • Author(s): Kazuho Goto, Shin-ichi Ito, Hideo Hosono, Shin-ichi Orimo, Takahiro Kondo
  • Organizer: Materials Research Meeting 2021 (MRM2021)
  • Int'l Joint Research
• [Book] 2D Boron: Boraphene, Borophene, Boronene (2021)
  • Author(s): Takahiro Kondo, Iwao Matsuda
  • Total Pages: 89～119
  • Publisher: Springer Nature
  • ISBN: 978-3-030-49998-3
• [Remarks] 新しい半導体物質「硫化ホウ素シート」の生成に成功
  • URL: https://www.tsukuba.ac.jp/journal/technology-materials/20211028140000.html
• [Remarks] 新しい半導体物質「硫化ホウ素シート」の生成に成功
  • URL: https://www.titech.ac.jp/news/2021/062290
• [Remarks] 新しい半導体物質「硫化ホウ素シート」の生成に成功
  • URL: https://www.tuat.ac.jp/outline/disclosure/pressrelease/2021/20211028_01.html
• [Remarks] 新しい半導体物質「硫化ホウ素シート」の生成に成功
  • URL: https://www.kek.jp/ja/press/202110281330/
• [Remarks] 新しい半導体物質「硫化ホウ素シート」の生成に成功
  • URL: http://www.spring8.or.jp/ja/news_publications/press_release/2021/211028_2/
• [Patent(Industrial Property Rights)] 金属担持二次元ホウ素シート含有物質、金属担持二次元ホウ素シート含有物質の製造方法 (2022)
  • Inventor(s): 14)近藤剛弘，引地美亜，冨中悟史
  • Industrial Property Rights Holder: 14)近藤剛弘，引地美亜，冨中悟史
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 特願2022-061007
• [Patent(Industrial Property Rights)] ホウ化水素含有組成物、水素発生システムおよび燃料電池システム (2021)
  • Inventor(s): 宮内雅浩, 島田知佳, 山口晃, 近藤剛弘, 劔隼人
  • Industrial Property Rights Holder: 宮内雅浩, 島田知佳, 山口晃, 近藤剛弘, 劔隼人
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 特願2021- 117864