層状ナノ薄膜を用いた超強電界物性と新機能

• 研究課題/領域番号: 13J09893
• 研究種目: 特別研究員奨励費
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 国内
• 研究分野: 応用物理学一般
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 張 奕勁 東京大学, 工学系研究科, 特別研究員(DC1)
• 研究期間 (年度): 2013-04-01 – 2016-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2015年度)
• 配分額: 3,600千円 (直接経費: 3,600千円); 2015年度: 1,200千円 (直接経費: 1,200千円); 2014年度: 1,200千円 (直接経費: 1,200千円); 2013年度: 1,200千円 (直接経費: 1,200千円)
• キーワード: 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

研究実績の概要

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。

現在までの達成度 (段落)

27年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

27年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] High circular polarization in electroluminescence from MoSe2 (2016)
  • 著者名/発表者名: M. Onga, Y. J. Zhang, R. Suzuki, Y. Iwasa
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 108 号: 7 ページ: 073107-073107
  • DOI: 10.1063/1.4942367
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] 2D crystals of transition metal dichalcogenide and their iontronic functionalities. (2015)
  • 著者名/発表者名: Y. J. Zhang, M. Yoshida, R. Suzuki, Y. Iwasa
  • 雑誌名: 2D Materials 巻: 2 号: 4 ページ: 044004-044004
  • DOI: 10.1088/2053-1583/2/4/044004
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Superconductivity Series in Transition Metal Dichalcogenides by Ionic Gating (2015)
  • 著者名/発表者名: W. Shi, J. T. Ye, Y. J. Zhang, R. Suzuki, M. Yoshida, J. Miyazaki, N. Inoue, Y. Saito, Y. Iwasa
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 5 号: 1 ページ: 12534-12534
  • DOI: 10.1038/srep12534
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Memristive phase switching in two-dimensional 1T-TaS2 crystals (2015)
  • 著者名/発表者名: M. Yoshida, R. Suzuki, Y. Zhang, M. Nakano, Y. Iwasa
  • 雑誌名: Science Advances 巻: 1 号: 9
  • DOI: 10.1126/sciadv.1500606
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Controlling charge-density-wave states in nano-thick crystals of 1T-TaS2 (2014)
  • 著者名/発表者名: M. Yoshida, Y. J. Zhang, J. T. Ye, R. Suzuki, Y. Imai, S. Kimura, A. Fujiwara, Y. Iwasa
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 4 号: 1 ページ: 7302-7302
  • DOI: 10.1038/srep07302
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Valley-dependent spin polarization in bulk MoS2 with broken inversion symmetry (2014)
  • 著者名/発表者名: 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)
  • 雑誌名: Nature Nanotechnology 巻: 9 号: 8 ページ: 611-617
  • DOI: 10.1038/nnano.2014.148
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Electrically switchable chiral light-emitting transistor (2014)
  • 著者名/発表者名: Y. J. Zhang, T. Oka, R. Suzuki, J. T. Ye, Y. Iwasa
  • 雑誌名: Science 巻: 344 号: 6185 ページ: 725-728
  • DOI: 10.1126/science.1251329
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Formation of a stable p-n junction in a liquid-gated MoS2 ambipolar transistor (2013)
  • 著者名/発表者名: 張 奕勁、叶 劍挺、蓬田 陽平、竹延 大志、岩佐 義宏
  • 雑誌名: Nano Letters 巻: 13 ページ: 3023-3028
  • 査読あり
• [学会発表] Valley physics in 2D crystals of transition metal dichalcogenides (2016)
  • 著者名/発表者名: Y. J. Zhang, Y. Iwasa
  • 学会等名: 第６３回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: 東工大（東京都、目黒区）
  • 年月日: 2016-03-19
  • 招待講演
• [学会発表] Circular polarized luminescence from transition-metal dichalcogenides 2D semiconductors (2015)
  • 著者名/発表者名: Y. J. Zhang
  • 学会等名: EMN Open Access Week 2015
  • 発表場所: Chengdu, China
  • 年月日: 2015-09-22
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Chiral electroluminescence from field-induced p-i-n junctions in 2D materials (2015)
  • 著者名/発表者名: Y. J. Zhang, R. Suzuki, M. Onga, Y. Iwasa
  • 学会等名: 8th International Conference on Materials for Advanced Technologies
  • 発表場所: Suntec, Singapore
  • 年月日: 2015-06-28
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Chiral electroluminescence from 2D materials based transistors (2015)
  • 著者名/発表者名: Y. J. Zhang, M. Onga, R. Suzuki, Y. Iwasa
  • 学会等名: 1st International Workshop on Topological Electronics
  • 発表場所: 沖縄科学技術大学院大学、沖縄県
  • 年月日: 2015-03-09 – 2015-03-11
• [学会発表] Circularly polarized luminescence from lateral TMD p-i-n junctions (2015)
  • 著者名/発表者名: Y. J. Zhang, M. Onga, Y. Iwasa
  • 学会等名: 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
  • 発表場所: 東京大学、東京都
  • 年月日: 2015-02-21 – 2015-02-23
• [学会発表] Spin and valley pseudo-spin in transition-metal dichalcogenides (2014)
  • 著者名/発表者名: 張 奕勁、岩佐 義宏
  • 学会等名: 第19回半導体スピン工学の基礎と応用
  • 発表場所: 東京大学、東京都
  • 年月日: 2014-12-15 – 2014-12-16
  • 招待講演
• [学会発表] Electrically switchable chiral light-emitting transistor (2014)
  • 著者名/発表者名: Y. J. Zhang, T. Oka, R. Suzuki, J. T. Ye, Y. Iwasa
  • 学会等名: FET2014
  • 発表場所: 三井ガーデンホテル柏の葉、千葉県
  • 年月日: 2014-10-17 – 2014-10-21
• [学会発表] 遷移金属カルコゲナイドを用いた円偏光発光FET (2014)
  • 著者名/発表者名: 張 奕勁、鈴木 龍二、岩佐 義宏
  • 学会等名: 日本物理学会 2014 年次大会
  • 発表場所: 平塚、東海大学
  • 年月日: 2014-03-29
• [学会発表] Ambipolar lihght emitting transistors on transition-metl dichalcogenides (2014)
  • 著者名/発表者名: 張 奕勁、鈴木 龍二、岩佐 義宏
  • 学会等名: APS March Meeting
  • 発表場所: Denver. USA Colorado convention center
  • 年月日: 2014-03-06
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 張 奕勁、鈴木 龍二、岩佐 義宏
  • 学会等名: 日本物理学会 2013 秋季大会
  • 発表場所: 徳島、徳島大学
  • 年月日: 2013-09-26
• [備考] UTokyo Research
  • URL: http://www.u-tokyo.ac.jp/ja/utokyo-research/research-news/electrically-controllable-chiral-light-source/
• [備考] 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