2022 Fiscal Year Annual Research Report
Design of 2D heterostructures by crystal growth
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21H01768
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| Research Institution | Kwansei Gakuin University |
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Principal Investigator |
日比野 浩樹 関西学院大学, 工学部, 教授 (60393740)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
影島 博之 島根大学, 学術研究院理工学系, 教授 (70374072)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 二次元物質 / ヘテロ構造 / 結晶成長 / グラフェン / 六方晶窒化ホウ素 / 化学気相成長 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
我々はこれまで、Cu基板上で、グラフェンと六方晶窒化ホウ素（hBN）を化学気相成長（CVD）させる順序によって、それらの横型と縦型のヘテロ構造を作り分けられることを実験的に示し、その起源が、エッジが水素原子で終端されているかどうかの違いにあることを理論的に解明した。ただし、同様の水素雰囲気下にあるにもかかわらず、エッジ構造に差が出る理由は未解明であった。そこで、第一原理計算に基づきエッジへの水素原子の吸着エネルギーをグラフェンとhBNで比較した。その結果、エネルギー差はファンデルワールス力補正に依存するものの、グラフェン/金属系で広く用いられている補正によって、hBNがグラフェンに比べ水素終端されやすいことが確認された。また、均一な縦型ヘテロ構造の作製への課題となっていたグラフェン成長中のhBNのエッチングを、炭素源ガスとしてCH4の代わりにC2H4を用いることで回避できることを示した。ただし、グラフェンの結晶性がCH4を用いた場合に比べ劣化したため、今後、成長条件の最適化が必要である。
絶縁体基板上に2Dヘテロ構造をCVD法で直接成長させるための第一歩として、さまざまな面方位（c面、a面、m面、r面）のサファイア上にグラフェンを直接成長させ、構造と物性を比較した。4種類のサファイア上に成長させたグラフェンはすべて単層で多結晶状態にあったが、その結晶粒サイズは面方位に依存し、m面が最大で、c面が最小であった。この結果は、m面上に成長させたグラフェンが最も高いキャリア移動度を示したこととも整合する。次に、ｃ面とm面上に成長させたグラフェンの成長時間依存性から、それらの成長機構が大きく異なり、ｃ面上ではグラフェン島が徐々に拡大し基板全面を覆いつくす一方、m面上では短時間でグラフェンが基板全面を覆いつくした後、単層のまま結晶粒が拡大することを明らかにした。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
グラフェンとhBNのヘテロ構造の成長機構を第一原理計算に基づき考察し、多くの知見を得てきた。特に、グラフェンとhBNのエッジ終端構造の違いが、縦型と横型の異なるヘテロ構造をもたらす原因であることを明らかにした。今後、理論から成長機構をより詳細に理解するとともに、実験からエッジ終端構造の制御を通してヘテロ構造のデザインに取り組む。また、均一な縦型ヘテロ構造の作製への課題となっていたhBNのエッチングの回避に、グラフェンの原料ガスやそのキャリアガスの選択が重要であることを示した。今後、高品質で大面積の縦型ヘテロ構造を作製し、hBN被覆によるグラフェンの電気伝導特性への効果を実証する。
代表的な半導体の2D物質である二硫化モリブデン（MoS2）をグラフェンやhBNと複合化する研究も推進している。金属基板上にCVD成長させたグラフェンやhBNは、そのデバイス応用に転写が不可欠で、その際に発生する汚染や破損は応用への大きな障害である。そこで、絶縁体のサファイア上へのグラフェンおよびhBNの直接成長に取り組み、成長機構に関する知見を深めてきた。今後は、サファイア基板上にグラフェン、hBN、MoS2からなる2Dヘテロ構造の成長を試みる。
Geの原子シートであるゲルマネンは二次元トポロジカル絶縁体の候補としてその物性に興味が持たれている。これまで、Ge(111)基板上のAg薄膜表面へゲルマネンが析出する過程を、低エネルギー電子顕微鏡によりその場観察し、析出機構の解明に取り組んできた。今後、その知見を活かして作製した高品質なゲルマネンを利用して、2Dヘテロ構造の新たな構成要素としての可能性を探索する。
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| Strategy for Future Research Activity |
グラフェンとhBNの縦型ヘテロ構造は、グラフェンの高い電気伝導特性を引き出す上で有効である。このため、その高品質成長は本研究課題の主要なターゲットである。これまで均一なヘテロ構造作製への課題となっていたグラフェン成長中のhBNのエッチングは、グラフェンの原料ガスにC2H4を用いることで抑えられることがわかったが、グラフェンの結晶性が劣化するという新たな課題が生じた。今後、C2H4を用いたCVD条件の最適化により高品質なヘテロ構造を作製し、hBN被覆によるグラフェンの電気伝導特性への効果を実証する。
グラフェンとhBNのヘテロ構造の成長機構の解明へ、理論的な考察を推進する。現状、縦型と横型の異なるヘテロ構造が形成される原因が、グラフェンとhBNのエッジ終端構造の違いにあることは明確になったが、グラフェンがhBNエッジではなくCuとの界面に成長する一方、hBNはなぜエッジに成長し続けるのか、詳細なメカニズムは不明である。そこで、成長前駆体の吸着構造をより詳細に調べ、成長種による成長様式の違いを理解する。
サファイア上でのMoS2とグラフェンのヘテロ構造の直接成長を目指している。これまで、様々な面方位のサファイアにグラフェンを直接CVD成長させ、その構造と成長機構を調べてきた。今後、それらの解析をさらに深化させ、その知見に基づき、サファイア上での単結晶グラフェンの成長を実現する。また、グラフェンに欠陥を生じることなく、均一な単層MoS2を成長させるための条件を探索する。
2Dヘテロ構造デバイスの絶縁体として、多層hBNが求められている。多層hBNの成長に窒素固溶度の高いFeNi合金が基板として多く用いられており、我々も、FeNi基板の平坦性が多層hBNの層数均一性に大きく影響することを見出している。成長初期過程の微視的な観察からその起源を解明し、均一な多層hBNの成長を実現する。
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