層状ナノ薄膜を用いた超強電界物性と新機能

• Project/Area Number: 13J09893
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Applied physics, general
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 張 奕勁 東京大学, 工学系研究科, 特別研究員(DC1)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2016-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2015)
• Budget Amount: ¥3,600,000 (Direct Cost: ¥3,600,000); Fiscal Year 2015: ¥1,200,000 (Direct Cost: ¥1,200,000); Fiscal Year 2014: ¥1,200,000 (Direct Cost: ¥1,200,000); Fiscal Year 2013: ¥1,200,000 (Direct Cost: ¥1,200,000)
• Keywords: 遷移金属カルコゲナイド / TMD / 円二色性 / pn接合 / 発光 / スピン緩和 / バレー / 二次元結晶 / バレートロニクス / 円偏光 / オプトエレクトロニクス / 電気二重層トランジスタ / エレクトロルミネッセンス / p-n接合 / 両極性トランジスタ

Outline of Annual Research Achievements

本年度はTMD二次元結晶中に電気的に形成されたp-n接合からの電流注入発光が円偏光している現象の根底にあるメカニズムの解明に向けた研究を行った。この現象は一昨年に偶然発見した新奇な現象であり当時の理論予測と矛盾する現象であったが、理論家の方々とディスカッションを行い、試料中に存在する超強電場が大きな役割を果たしているという結論に至っていた。ただし、このモデルは電流注入発光の円偏光率の印加電圧依存性等一部の実験結果と矛盾する側面もあった。
そこで本年度では、p-n接合の発光状態における電気伝導特性を詳細に測定した・評価した。具体的には、四端子測定法を応用してp-n接合のp領域とn領域、及び接合を挟む領域のそれぞれにおける電圧分布や電荷濃度を測定した。これらの結果を元に、発光時におけるバンド曲がりの位置依存性を再評価したところ、従来型p-n接合で考えられていた状況とは大きく異なることが分かった。しかし同時に、この新たなバンド曲がりの描像と理論モデルを組み合わせることで実験結果を矛盾なく説明することが可能になった。従来型p-n接合と異なる電気的振舞の要因は接合の形成方法の違いに由来すると考えられる。
本研究は層状物質と超強電場を組み合わせることによる新奇な機能性デバイスの実現を目指して開始したものであり、電気的に制御可能な円偏向発光デバイスを実現した。本年度の一連の研究により、この現象は層状物質特有の物性と超強電場のみが実現できる特殊なp-n接合を組み合わせることによって実現できたものであることが分かった。

Research Progress Status

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] High circular polarization in electroluminescence from MoSe2 (2016)
  • Author(s): M. Onga, Y. J. Zhang, R. Suzuki, Y. Iwasa
  • Journal Title: Applied Physics Letters Volume: 108 Issue: 7 Pages: 073107-073107
  • DOI: 10.1063/1.4942367
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] 2D crystals of transition metal dichalcogenide and their iontronic functionalities. (2015)
  • Author(s): Y. J. Zhang, M. Yoshida, R. Suzuki, Y. Iwasa
  • Journal Title: 2D Materials Volume: 2 Issue: 4 Pages: 044004-044004
  • DOI: 10.1088/2053-1583/2/4/044004
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Superconductivity Series in Transition Metal Dichalcogenides by Ionic Gating (2015)
  • Author(s): W. Shi, J. T. Ye, Y. J. Zhang, R. Suzuki, M. Yoshida, J. Miyazaki, N. Inoue, Y. Saito, Y. Iwasa
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 5 Issue: 1 Pages: 12534-12534
  • DOI: 10.1038/srep12534
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Memristive phase switching in two-dimensional 1T-TaS2 crystals (2015)
  • Author(s): M. Yoshida, R. Suzuki, Y. Zhang, M. Nakano, Y. Iwasa
  • Journal Title: Science Advances Volume: 1 Issue: 9
  • DOI: 10.1126/sciadv.1500606
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Controlling charge-density-wave states in nano-thick crystals of 1T-TaS2 (2014)
  • Author(s): M. Yoshida, Y. J. Zhang, J. T. Ye, R. Suzuki, Y. Imai, S. Kimura, A. Fujiwara, Y. Iwasa
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 4 Issue: 1 Pages: 7302-7302
  • DOI: 10.1038/srep07302
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Valley-dependent spin polarization in bulk MoS2 with broken inversion symmetry (2014)
  • Author(s): R. Suzuki*, M. Sakano*, Y. J. Zhang, R. Akashi, D. Morikawa, A. Harasawa, K. Yaji, K. Kuroda, K. Miyamoto, T. Okuda, K. Ishizaka, R. Arita, and Y. Iwasa (*equal contribution)
  • Journal Title: Nature Nanotechnology Volume: 9 Issue: 8 Pages: 611-617
  • DOI: 10.1038/nnano.2014.148
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Electrically switchable chiral light-emitting transistor (2014)
  • Author(s): Y. J. Zhang, T. Oka, R. Suzuki, J. T. Ye, Y. Iwasa
  • Journal Title: Science Volume: 344 Issue: 6185 Pages: 725-728
  • DOI: 10.1126/science.1251329
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Formation of a stable p-n junction in a liquid-gated MoS2 ambipolar transistor (2013)
  • Author(s): 張 奕勁、叶 劍挺、蓬田 陽平、竹延 大志、岩佐 義宏
  • Journal Title: Nano Letters Volume: 13 Pages: 3023-3028
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Valley physics in 2D crystals of transition metal dichalcogenides (2016)
  • Author(s): Y. J. Zhang, Y. Iwasa
  • Organizer: 第６３回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: 東工大（東京都、目黒区）
  • Year and Date: 2016-03-19
  • Invited
• [Presentation] Circular polarized luminescence from transition-metal dichalcogenides 2D semiconductors (2015)
  • Author(s): Y. J. Zhang
  • Organizer: EMN Open Access Week 2015
  • Place of Presentation: Chengdu, China
  • Year and Date: 2015-09-22
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Chiral electroluminescence from field-induced p-i-n junctions in 2D materials (2015)
  • Author(s): Y. J. Zhang, R. Suzuki, M. Onga, Y. Iwasa
  • Organizer: 8th International Conference on Materials for Advanced Technologies
  • Place of Presentation: Suntec, Singapore
  • Year and Date: 2015-06-28
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Chiral electroluminescence from 2D materials based transistors (2015)
  • Author(s): Y. J. Zhang, M. Onga, R. Suzuki, Y. Iwasa
  • Organizer: 1st International Workshop on Topological Electronics
  • Place of Presentation: 沖縄科学技術大学院大学、沖縄県
  • Year and Date: 2015-03-09 – 2015-03-11
• [Presentation] Circularly polarized luminescence from lateral TMD p-i-n junctions (2015)
  • Author(s): Y. J. Zhang, M. Onga, Y. Iwasa
  • Organizer: 第48回フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム
  • Place of Presentation: 東京大学、東京都
  • Year and Date: 2015-02-21 – 2015-02-23
• [Presentation] Spin and valley pseudo-spin in transition-metal dichalcogenides (2014)
  • Author(s): 張 奕勁、岩佐 義宏
  • Organizer: 第19回半導体スピン工学の基礎と応用
  • Place of Presentation: 東京大学、東京都
  • Year and Date: 2014-12-15 – 2014-12-16
  • Invited
• [Presentation] Electrically switchable chiral light-emitting transistor (2014)
  • Author(s): Y. J. Zhang, T. Oka, R. Suzuki, J. T. Ye, Y. Iwasa
  • Organizer: FET2014
  • Place of Presentation: 三井ガーデンホテル柏の葉、千葉県
  • Year and Date: 2014-10-17 – 2014-10-21
• [Presentation] 遷移金属カルコゲナイドを用いた円偏光発光FET (2014)
  • Author(s): 張 奕勁、鈴木 龍二、岩佐 義宏
  • Organizer: 日本物理学会 2014 年次大会
  • Place of Presentation: 平塚、東海大学
  • Year and Date: 2014-03-29
• [Presentation] Ambipolar lihght emitting transistors on transition-metl dichalcogenides (2014)
  • Author(s): 張 奕勁、鈴木 龍二、岩佐 義宏
  • Organizer: APS March Meeting
  • Place of Presentation: Denver. USA Colorado convention center
  • Year and Date: 2014-03-06
• [Presentation] 電場を用いた遷移金属カルコゲナイドのバレー分裂制御 (2013)
  • Author(s): 張 奕勁、鈴木 龍二、岩佐 義宏
  • Organizer: 日本物理学会 2013 秋季大会
  • Place of Presentation: 徳島、徳島大学
  • Year and Date: 2013-09-26
• [Remarks] UTokyo Research
  • URL: http://www.u-tokyo.ac.jp/ja/utokyo-research/research-news/electrically-controllable-chiral-light-source/
• [Remarks] 東京大学工学部ホームページ
  • URL: http://www.t.u-tokyo.ac.jp/epage/release/2014/2014042801.html