2021 Fiscal Year Annual Research Report
Developing the lightest functional material for smart societal infrastructure
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21H05012
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
松田 巌 東京大学, 物性研究所, 教授 (00343103)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
安藤 康伸 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 材料・化学領域, 主任研究員 (00715039)
吹留 博一 東北大学, 電気通信研究所, 准教授 (10342841)
近藤 剛弘 筑波大学, 数理物質系, 准教授 (70373305)
細野 英司 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エネルギー・環境領域, 主任研究員 (80462852)
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| Project Period (FY) |
2021-07-05 – 2026-03-31
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| Keywords | 原子層 / ボロフェン / ホウ素 / 合成 / HB / ボロファン |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では新たな単原子層材料であるホウ素の単原子シート「ボロフェン」をベースに最軽量の情報およびエネルギーキャリア材料の開発に取り組んでいる。ボロフェンおよび誘導体は多様な元素組成と原子構造を取ることができ、その結果、多種多様な電子状態が形成され、次世代通信帯GHz-THz応答ならびに電池(蓄エネデバイス)への応用が期待されている。本研究ではボロフェン及び誘導体材料について、精密測定が可能な「大面積合成」試料と実用化が可能な「大量合成」試料を作り分け、各試料の物質情報を総合的かつ相補的に研究しながら展開している。そして本物質の機能性の起源や原因となる電子状態を調べることで、その学理を追求しデバイス開発を推進することを目的とする。
研究を遂行するにあたり、本年度ではまず実験環境の整備を行なった。年度内に「大面積合成」を実施する分子線エピタキシー成膜装置に専用のホウ素蒸着源（電子ビーム加熱型蒸着源）を導入し、「大量合成」に向けて専用のグローブボックスを設置した。さらに合成した試料の機能性を探る電池充放電装置システムも用意することができた。また、次世代通信帯原子層材料として調べていたグラフェンのダイナミクス研究がまとまったので、論文発表をした。
本年度では目的であるボロフェン物質の「大面積合成」について、大きな進展があった。電極材料である銅の基板上にcmサイズにわたって再現性よくボロフェン化合物を作製することができるようになった。陽電子回折法による原子構造解析と光電子電子分光法による化学分析により、本物質はホウ素の１次元鎖が周期的な列を形成していることが分かった。そして第一原理に基づく電子状態の理論計算の結果、本物質は金属であることが分かった。電極基板の上で合成できることから電池特性向上につながると期待され、その評価実験の準備も進めた。
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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
予定していた実験環境が整って試料合成も具体的に実施できるようになったため、本研究は計画通りに進展している。様々な試料合成を実施している中で、2次元ホウ素層と期待していた試料が実際には珍しい１次元ホウ素の周期列が安定して形成していることが分かった。そこで、本研究でこれまで培ってきたホウ素の学理を１次元系へ展開してその物性を明らかにすると共に、本研究の目的であるデバイス利用への可能性も調べることにした。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究では「大面積合成」の対象となる様々なボロフェン化合物の候補物質探索を実施してきたが、本年度、電極材料である銅の基板上にてcmサイズにわたる高品質な金属ボロフェン化合物の作製に至った。そこで、本物質を中心に研究展開をすることで、今後の研究を推進する。具体的には実験環境の整った「大量合成」のためのグローブボックスを活用し、本物質の充放電などの電池特性を評価する。さらに、理論計算で得られた電子構造を実験的に確認するために、放射光を用いた高分解能の角度分解光電子分光測定を実施する。本研究では引き継ぎ新規物質の探索及び合成法開発を実施していくが、このように物質によって物性及び機能性評価にメリハリをつけることを推進方策とする。
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