2023 Fiscal Year Research-status Report
Optical properties and applications of van der Waals mixed-dimentional heterostructures
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22KF0407
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Research Institution | Institute of Physical and Chemical Research |
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Principal Investigator |
加藤 雄一郎 国立研究開発法人理化学研究所, 開拓研究本部, 主任研究員 (60451788)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
CHANG YIH-REN 国立研究開発法人理化学研究所, 開拓研究本部, 外国人特別研究員
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| Project Period (FY) |
2023-03-08 – 2025-03-31
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| Keywords | 二次元材料 / ナノカーボン材料 / 光物性 / ナノ物性 / ナノカーボン物理 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
2023年度は、引き続きカーボンナノチューブと二次元物質をファンデルワールス力により融合した異次元ヘテロ構造を形成する手法の開発に取り組み、また、一次元/二次元ヘテロ構造における界面励起子の観測に着手した。
まず、昨年度と同様の手法により、架橋カーボンナノチューブに二次元物質を転写し、ヘテロ構造を作製した。あらかじめ溝を加工した酸化膜付きシリコン基板上に化学気相成長によりカーボンナノチューブを合成し、フォトルミネッセンス顕微分光によりカーボンナノチューブのカイラリティや位置を事前に評価した。所望のカイラリティを有するカーボンナノチューブに対し、アントラセン結晶を媒介物質として利用する手法により二次元物質を転写した。
次に、得られた異次元ヘテロ構造に対して、フォトルミネッセンス顕微分光による評価を実施した。二次元物質とカーボンナノチューブが接合し異次元ヘテロ構造を形成している場合は、カーボンナノチューブの励起子エネルギーが誘電遮蔽により減少することがわかっており、これをフォトルミネッセンス励起分光により検証することで転写条件の最適化を図った。
遷移金属ダイカルコゲナイドの一種であるセレン化タングステンとの異次元ヘテロ構造では、フォトルミネッセンス測定や励起分光により励起子移動が起きていることが明らかになった。また、系統的にカーボンナノチューブのバンドエネルギーを変化させたヘテロ構造を調査したところ、バンドエネルギーの不連続性と相対的な配置が判明したほか、バンドエネルギーが一致した際には共鳴的に励起子移動が起きることを見出した。さらに、バンドギャップの大きいナノチューブとのヘテロ構造について、界面励起子の発光観測に着手した。
二次元物質の架橋カーボンナノチューブ試料上への直接成長については、走査電子顕微鏡やフォトルミネッセンス顕微分光による評価に着手した。
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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
本研究ではカーボンナノチューブと二次元物質をファンデルワールス力により融合した異次元ヘテロ構造を形成し、励起子物性を明らかにすることを目指すほか、その応用可能性を探ることを目的としている。
今年度は、引き続き架橋カーボンナノチューブに二次元物質を転写することで異次元ヘテロ構造を作製し、フォトルミネッセンス顕微分光や励起分光により評価を進めている。セレン化タングステンとの異次元ヘテロ構造では、フォトルミネッセンス測定や励起分光により励起子移動が起きていることを明らかにしており、おおむね順調に研究が進んでいると考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
最終年度の約8ヶ月間は、引き続き一次元/二次元ヘテロ構造における界面励起子の観測に取り組むほか、すべて順調であれば零次元/一次元ヘテロ構造における高純度な単一光子発生に着手する。
セレン化タングステンとの異次元ヘテロ構造では、今年度調査したタイプIヘテロ構造において励起子移動が観測されているため、カーボンナノチューブのバンドエネルギーを大きくすることでタイプIIヘテロ構造では界面励起子の形成が期待される。そこで、バンドギャップの大きい有望なカイラリティに着目してフォトルミネッセンス顕微分光により界面励起子の発光観測に取り組む。界面励起子と思わしき発光の観測に成功した場合、励起分光測定を実施することに加え、偏光依存性や強度依存性を調査し、また、時間分解フォトルミネッセンス測定により励起子寿命を評価する。
一方、架橋カーボンナノチューブ試料上への直接成長により零次元粒子状物質とのヘテロ接合が得られた場合は、ナノチューブへの励起子移動を利用して、回折限界を超えた小さな領域への局所的な励起子注入の実現が期待できる。これにより、励起子－励起子消滅による単一光子発生の高純度化が期待できるため、フォトルミネッセンス顕微分光と時間分解フォトルミネッセンス測定に加えて光子相関測定を実施する。
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| Causes of Carryover |
残額が少額であったため、翌年度分と合わせて使用することで、より有効に活用することとした。
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Research Products
(5 results)
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[Journal Article] Resonant exciton transfer in mixed-dimensional heterostructures for overcoming dimensional restrictions in optical processes2023
Author(s)
N. Fang, Y. R. Chang, D. Yamashita, S. Fujii, M. Maruyama, Y. Gao, C. F. Fong, K. Otsuka, K. Nagashio, S. Okada, Y. K. Kato
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Journal Title
Nature Commun.
Volume: 14
Pages: 8152
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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[Presentation] Resonant exciton transfer in mixed-dimensional heterostructures for overcoming dimensional restrictions in optical processes2024
Author(s)
N. Fang, Y. R. Chang, D. Yamashita, S. Fujii, M. Maruyama, Y. Gao, C. F. Fong, K. Otsuka, K. Nagashio, S. Okada, Y. K. Kato
Organizer
The 66th Fullerenes-Nanotubes-Graphene General Symposium
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