二次元極限材料における高エネルギー励起キャリアの光電変換機能探索

• 研究課題/領域番号: 16K17485
• 研究種目: 若手研究(B)
• 配分区分: 基金
• 研究分野: ナノ構造物理
• 研究機関: 名古屋大学
• 研究代表者: 小澤 大知 名古屋大学, 工学(系)研究科(研究院), 特別研究員(PD) (30756060)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2017-03-31
• 研究課題ステータス: 中途終了 (2016年度)
• 配分額: 3,250千円 (直接経費: 2,500千円、間接経費: 750千円); 2018年度: 650千円 (直接経費: 500千円、間接経費: 150千円); 2017年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円); 2016年度: 1,820千円 (直接経費: 1,400千円、間接経費: 420千円)
• キーワード: 二次元材料 / 原子層 / 光検出器 / ヘテロ構造 / ナノ材料 / オプトエレクトロニクス / 高効率太陽光発電材料 / マイクロ・ナノデバイス / 再生可能エネルギー

研究実績の概要

本研究の目的は、二次元極限材料における高エネルギー励起キャリアの光電変換機能探索である。応募者が発見した、二次元極限材料遷移金属ダイカルコゲナイド(TMD)における高エネルギー励起キャリア生成機構と、TMDヘテロ構造間の電荷・エネルギー移動機構を組み合わせ、ハイブリッド構造間の相互作用制御方法を確立する。本研究を通して、光電変換過程で熱として散逸されていた光励起キャリアの余剰エネルギーを有効に利用するホットキャリア型光電変換デバイスの原理実証を目指した。
初年度はまず、1. イオン液体をゲート誘電体とした二次元材料光検出器の作製と、2. ヘテロ構造を用いた光検出器の作製を目指した。1.に関しては二次元材料WSe2原子層においてp-n接合形成を確認し、さらにそこで光検出ができることを示した。ここまでの結果を論文としてまとめ、米国応用物理学会誌Applied Physics Lettersに成果発表した。2.に関しては二次元材料MoS2と同じく二次元材の料黒リンを重ね合わせてヘテロ構造を作製し、フォトトランジスタを作製した。MoS2と黒リンとの間に二次元のp-n接合が形成され、単体の黒リンと比べてフォトレスポンスが向上することを示した。この研究成果をアメリカ化学会、アメリカ化学工学会、材料科学会で発表した。以上、1.と2.の成果を応用し、今後の二次元極限材料における高エネルギー励起キャリアの光電変換機能探索へと発展することが期待される。

研究成果

• [国際共同研究] Massachusetts Institute of Technology(米国)
• [国際共同研究] National University of Singapore(シンガポール)
• [国際共同研究] King Abdullah University Sci. & Tech.(サウジアラビア)
• [国際共同研究] Imperial College London(英国)
• [雑誌論文] Evidence for fast interlayer energy transfer in MoSe2/WS2 heterostructures (2016)
  • 著者名/発表者名: D. Kozawa, A. Carvalho, I. Verzhbitskiy, F. Giustiniano, Y. Miyauchi, S. Mouri, A. H. Castro Neto, K. Matsuda, and G. Eda
  • 雑誌名: Nano letters 巻: 16 号: 7 ページ: 4087-4093
  • DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b00801
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Photodetection in p-n junctions formed by electrolyte-gated transistors of two-dimensional crystals (2016)
  • 著者名/発表者名: Daichi Kozawa, Jiang Pu, Ryo Shimizu, Shota Kimura, Ming-Hui Chiu, Keiichiro Matsuki, Yoshifumi Wada, Tomo Sakanoue, Yoshihiro Iwasa, Lain-Jong Li, Taishi Takenobu
  • 雑誌名: Appl. Phys. Lett. 巻: 109 号: 20 ページ: 201107-201107
  • DOI: 10.1063/1.4967173
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Exciton-plasmon coupling and electromagnetically induced transparency in monolayer semiconductor hybridized with Ag nanoparticels (2016)
  • 著者名/発表者名: W. Zhao, S. Wang, B. Liu, I. Verzhbitskiy, S. Li, F. Giustiano, D. Kozawa, K. P. Loh, K. Matsuda, K. Okamoto, R. F. Oulton, and G. Eda
  • 雑誌名: Adv. Mat. 巻: 28 号: 14 ページ: 2709-2715
  • DOI: 10.1002/adma.201504478
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Effects of electrolyte gating on photoluminescence spectra of large-area WSe2 monolayer films (2016)
  • 著者名/発表者名: Keiichiro Matsuki, Jiang Pu, Daichi Kozawa, Kazunari Matsuda, Lain-Jong Li, Taishi Takenobu
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 55 号: 6S1 ページ: 06GB02-06GB02
  • DOI: 10.7567/jjap.55.06gb02
  • NAID: 210000146605
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [学会発表] Observation of Switchable Photoresponse of a Monolayer WSe2-MoS2 Lateral Heterostructure Via Photocurrent Spectral Atomic Force Microscopic Imaging (2016)
  • 著者名/発表者名: D. Kozawa, Y. Son, M-Y Li, C-C Cheng, K-H Wei, P. Liu, Q.H. Wang, L-J Li, M.S. Strano
  • 学会等名: MRS Fall 2016
  • 発表場所: Hynes Convention Center, Boston, MA, USA
  • 年月日: 2016-11-30
  • 国際学会
• [学会発表] MoS2-Passivated Bilayer Phosphorene Phototransistors (2016)
  • 著者名/発表者名: D. Kozawa, Y. Son, A.T. Liu, V. Koman, Q.H. Wang, M.S. Strano
  • 学会等名: MRS Fall 2016
  • 発表場所: Hynes Convention Center, Boston, MA, USA
  • 年月日: 2016-11-28
  • 国際学会
• [学会発表] MoS2-Passivated Bilayer Phosphorene Phototransistors (2016)
  • 著者名/発表者名: D. Kozawa, Y. Son, A.T. Liu, V. Koman, Q.H. Wang, M.S. Strano
  • 学会等名: 2016 AIChE Annual Meeting
  • 発表場所: Hilton San Francisco Union Square, San Francisco, CA, USA
  • 年月日: 2016-11-14
  • 国際学会
• [学会発表] Observation of Switchable Photoresponse of a Monolayer WSe2-MoS2 Lateral Heterostructure Via Photocurrent Spectral Atomic Force Microscopic Imaging (2016)
  • 著者名/発表者名: D. Kozawa, Y. Son, M-Y Li, C-C Cheng, K-H Wei, P. Liu, Q.H. Wang, L-J Li, M.S. Strano
  • 学会等名: 2016 AIChE Annual Meeting
  • 発表場所: Hilton San Francisco Union Square, San Francisco, CA, USA
  • 年月日: 2016-11-14
• [学会発表] Observation of switchable photoresponse of a monolayer WSe2-MoS2 lateral heterostructure via photocurrent spectral atomic force microscopic imaging (2016)
  • 著者名/発表者名: D. Kozawa, Y. Son, M-Y Li, C-C Cheng, K-H Wei, P. Liu, Q.H. Wang, L-J Li, M.S. Strano
  • 学会等名: ACS National Meeting
  • 発表場所: Pennsylvania Convention Center, Philadelphia, PA, USA
  • 年月日: 2016-08-24
  • 国際学会
• [備考] 小澤大知
  • URL: http://daichikozawa-jp.blogspot.com/
• [備考] Daichi Kozawa
  • URL: http://daichikozawa.blogspot.com/