2014 Fiscal Year Annual Research Report
ナノ炭素物質と無機半導体からなる複合構造におけるナノ界面物性の解明
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25246010
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| Research Institution | University of Tsukuba |
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Principal Investigator |
岡田 晋 筑波大学, 数理物質系, 教授 (70302388)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
山本 貴博 東京理科大学, 工学部, 講師 (30408695)
松田 一成 京都大学, エネルギー理工学研究所, 教授 (40311435)
西永 慈郎 独立行政法人産業技術総合研究所, 太陽光発電研究センター, 研究員 (90454058)
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| Project Period (FY) |
2013-05-31 – 2017-03-31
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| Keywords | ナノ材料 / ナノチューブ・フラーレン / 表面・界面物性 / 半導体物性 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、フラーレンと無機半導体複合構造中に形成される、低次元ナノスケール界面の物性解明をおこない、そこで得られた知見をもとに、界面構造の制御方策の提示とデバイス応用を目指すことを目的としている。そこで、研究期間前半においては、Si、GaAs, AlGaAs等の半導体物質中に各種ナノカーボン物質がドープされた系の合成と、その物性解明を行い界面物性、構造に関する知見の蓄積を行う。まず、AlGaAs/GaAsヘテロ界面に形成される高移動度2次元電子ガスとC60電子トラップの相互作用について調査した。GaAsのバンドギャップよりも低エネルギーの光子により、C60電子トラップを直接励起することが可能であることを明らかにし、電子が2次元電子ガスを形成することにより抵抗率が大きく変化することを確認した。この現象はon/off比の高い高速光スイッチとして応用が期待できる。またドープされるナノカーボン物質の光学特性に関する知見の蓄積のために、カーボンナノチューブ、ナノグラフェン、遷移金属ダイカルコゲナイドなどの原子層物質における新規な量子光物性の解明を行った。特に、カーボンナノチューブを電極として用い高い変換効率を有する太陽電池の作製に成功、ナノグラフェン（グラフェン量子ドット、酸化グラフェン）における特異な発光の解明、遷移金属ダイカルコゲナイドにおける光キャリア緩和ダイナミクス起源などを明らかにした。理論サイドでは、C60が埋め込まれたSi個体、GaAs固体の原子構造と電子状態の探索を行い、いずれの場合もC60と半導体の間に比較的強い相互作用が存在し、C60の電子状態が大きく変調されることが明らかになった。また、各種有機-無機ハイブリッド系の熱物性の基礎データの収集を目的とし、様々な無機材料と有機材料の電気伝導、熱伝導、熱電変換のシミュレーションを実施した。
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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
初年度、次年度に実施すべき、複合構造系に対する実験的、理論的な物性解明研究が概ね終了し、多くのデータの蓄積が行われつつあり、３年度目の目標である、低次元ナノ界面科学の構築のための基盤が概ね準備できた状況にある。また、ドープされるナノカーボン物質固有の特異な電子物性に関する知見も得られつつあり、新たな機能性デバイス構造提案に向けた知見の蓄積もできている。
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| Strategy for Future Research Activity |
GaAs, AlInP, 窒化物系へC60がドープされた複合構造体の物性解明を理論、実験の両面から遂行し、基礎的な物性に関する知見の蓄積を行う。また、蓄積された知見を基に０次元ナノ界面物性科学の創成を試みる。また、一連のC60／半導体複合構造体に対して、特に光学特性に着目し、その物性をミクロスコピックに評価する。さらに、一連の複合系の吸収・発光特性や光電変換の分光感度特性の評価を理論、実験の両面から遂行する。
光学特性に対する知見を基に、C60バルク半導体複合構造体の光電変換材料としての応用可能製の評価とデバイス構造の提案、設計指針の提示を行っていく。とくに、高効率光電変換材料系への応用を念頭に置いて、光電変換効率、電流変換効率、エネルギー変換効率の評価を種々の構造に対して実行し、目指すべきデバイス組成と構造の提案を行う。また、C60/窒化物半導体に対しては、レアメタルフリーの発光デバイスへの応用可能性を検討し、デバイス設計指針の提示を行う。
他方、当該複合構造は、C60が半導体、絶縁体に埋め込まれた量子井戸の様に振る舞うことが期待されることから、電荷捕獲型の不揮発メモリ材料としての応用可能性を秘めている。その応用において、C60分子の高い安定性と特異な電子状態は安定且つ多値メモリデバイス、スピンデバイスとしての応用の可能性がある。本申請では、界面の電子物性、ドープされたC60の電子物性に対して得られて知見と、界面における熱物性に関する知見を基盤にし、C60ドープ半導体複合構造を用いた電荷捕獲型の不揮発メモリのデバイス構造の提案を行っていく。その際、書込み／読込み(R/W)時におけるミクロスコピクな動作原理を第一原理電子受胎計算と分子動力学計算の手法を相補的に用い理論的に明らかにデバイス設計の指針を提示する。また、その設計指針に基づき実際のデバイス構造の作成と評価を行う。
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[Journal Article] Flexible metallic nanowires with self-adaptive Ohmic contact to semiconducting transition-metal dichalcogenide monolayers2014
Author(s)
Junhao Lin, Ovidiu Cretu, Wu Zhou, Kazu Suenaga, Dhiraj Prasai, Kirill I. Bolotin, Nguyen Thanh Cuong, Minoru Otani, Susumu Okada, Andrew R. Lupini, Juan-Carlos Idrobo, Dave Caudel, Arnold Burger, Nirmal J. Ghimire, Jiaqiang Yan, David G. Mandrus, Stephen J. Pennycook, Sokrates T. Pantelides
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Journal Title
Nature Nanotechnology
Volume: 9
Pages: 436 - 442
DOI
Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
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