h-BN極薄膜を用いた深紫外発光ダイオードの創製

• 研究課題/領域番号: 19K15443
• 研究種目: 若手研究
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 小区分29020:薄膜および表面界面物性関連
• 研究機関: 東京工業大学
• 研究代表者: 一ノ倉 聖 東京工業大学, 理学院, 助教 (00792566)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2022-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2021年度)
• 配分額: 4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円); 2020年度: 260千円 (直接経費: 200千円、間接経費: 60千円); 2019年度: 4,030千円 (直接経費: 3,100千円、間接経費: 930千円)
• キーワード: 六方晶窒化ホウ素 / ワイドギャップ半導体 / バンド構造 / インターカレーション / h-BN / キャリア制御 / 発光 / 深紫外線

研究開始時の研究の概要

本研究では、窒素とホウ素の層状物質である立方晶窒化ホウ素(h-BN)に着目する。h-BNは5.8 eVという非常に大きなバンドギャップを持つ半導体である。このエネルギーは215 nmの深紫外光に対応し、殺菌光源等への応用が考えられるが、キャリアドーピングの方法が確立しておらず、デバイス化への道は開かれていない。本研究では、超高真空中での原子・分子蒸着とその場測定法を駆使し、h-BNに有機分子吸着やアルカリ金属インターカレーションによるキャリアドーピングを行う。最終的にはp-n接合の作製と、電流注入による深紫外線発光を目標とする。

研究成果の概要

六方晶窒化ホウ素(h-BN)は病原体の殺菌に有用な深紫外線光源として期待されている。本研究では単原子層h-BNと基板のロジウム薄膜の界面にアルカリ金属を侵入させるとh-BNのエネルギーバンドを操作できることを実証した。リチウム、セシウムの侵入によりh-BNの価電子帯はn型ドーピング方向にそれぞれ1.9, 2.7 eV移動した。この大きな移動量はアルカリ金属からロジウムの表面への電荷移動による双極子形成により説明できる。この現象をh-BN電界発光デバイスの電極とh-BNの界面に応用すると、原理的には発光に必要な動作電圧を約半減させることができる。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究は電界発光デバイスへの応用へ向けた基礎研究であるが、h-BNという物質自体の基礎研究にも貢献する。セシウムによって生ずるバンドシフトにより価電子帯の頂点はフェルミエネルギー下5.7eVに達する。h-BNのバンドギャップは5.8eVであるため、伝導帯はロジウムのフェルミ面から非占有状態側にわずか0.1eVの位置にあることがわかる。つまり、さらに0.1eVバンドをシフトさせれば伝導帯が占有準位となり、ARPESによって伝導帯の底の波数を明らかとすることができる。これにより、単原子層h-BNが直接遷移型であるのか、それとも間接遷移型であるのか、実験的に明らかとすることができる。

研究成果

• [国際共同研究] チューリッヒ大学(スイス)
• [国際共同研究] チューリヒ大学(スイス)
• [雑誌論文] Two-Dimensional Superconductivity of Ca-Intercalated Graphene on SiC: Vital Role of the Interface between Monolayer Graphene and the Substrate (2022)
  • 著者名/発表者名: Toyama Haruko、Akiyama Ryota、Ichinokura Satoru、Hashizume Mizuki、Iimori Takushi、Endo Yukihiro、Hobara Rei、Matsui Tomohiro、Horii Kentaro、Sato Shunsuke、Hirahara Toru、Komori Fumio、Hasegawa Shuji
  • 雑誌名: ACS Nano 巻: 16 号: 3 ページ: 3582-3592
  • DOI: 10.1021/acsnano.1c11161
  • 査読あり
• [雑誌論文] 104502 (2022)
  • 著者名/発表者名: Si Wen、Tanaka Tomoaki、Ichinokura Satoru、Hirahara Toru
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 105 号: 10 ページ: 104502-104502
  • DOI: 10.1103/physrevb.105.104502
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Ionic Rectification across Ionic and Mixed Conductor Interfaces (2021)
  • 著者名/発表者名: Nishio Kazunori、Ichinokura Satoru、Nakanishi Akitaka、Shimizu Koji、Kobayashi Yasutaka、Nakamura Naoto、Imazeki Daisuke、Shimizu Ryota、Hirahara Toru、Watanabe Satoshi、Hitosugi Taro
  • 雑誌名: Nano Letters 巻: 21 号: 23 ページ: 10086-10091
  • DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c03872
  • 査読あり
• [雑誌論文] Absence of ferromagnetism in MnBi2Te4/Bi2Te3 down to 6 K (2021)
  • 著者名/発表者名: Fukasawa T.、Kusaka S.、Sumida K.、Hashizume M.、Ichinokura S.、Takeda Y.、Ideta S.、Tanaka K.、Shimizu R.、Hitosugi T.、Hirahara T.
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 103 号: 20 ページ: 205405-205405
  • DOI: 10.1103/physrevb.103.205405
  • 査読あり
• [雑誌論文] Monolayer FeSe films grown on SrTiO3 with controlled surface superstructures studied by scanning probes: evidence for interface superconductivity (2021)
  • 著者名/発表者名: Tanaka Tomoaki、Ichinokura Satoru、Pedersen Asger、Hirahara Toru
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 60 号: SE ページ: SE0801-SE0801
  • DOI: 10.35848/1347-4065/abefad
  • 査読あり
• [雑誌論文] Superconducting dome revealed by surface structure dependence in single unit cell FeSe on SrTiO3(001) (2020)
  • 著者名/発表者名: Tanaka Tomoaki、Akiyama Kenta、Ichinokura Satoru、Shimizu Ryota、Hitosugi Taro、Hirahara Toru
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 101 号: 20 ページ: 205421-205421
  • DOI: 10.1103/physrevb.101.205421
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Interfacial Superconductivity in FeSe Ultrathin Films on SrTiO3 Probed by In?Situ Independently Driven Four-Point-Probe Measurements (2020)
  • 著者名/発表者名: Pedersen Asger K.、Ichinokura Satoru、Tanaka Tomoaki、Shimizu Ryota、Hitosugi Taro、Hirahara Toru
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 124 号: 22 ページ: 227002-227002
  • DOI: 10.1103/physrevlett.124.227002
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Fabrication of a novel magnetic topological heterostructure and temperature evolution of its massive Dirac cone (2020)
  • 著者名/発表者名: T. Hirahara, M. M. Otrokov, T. T. Sasaki, K. Sumida, Y. Tomohiro, S. Kusaka, Y. Okuyama, S. Ichinokura, M. Kobayashi, Y. Takeda, K. Amemiya, T. Shirasawa, S. Ideta, K. Miyamoto, K. Tanaka, S. Kuroda, T. Okuda, K. Hono, S. V. Eremeev E. V. Chulkov
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 11 号: 1 ページ: 4821-4821
  • DOI: 10.1038/s41467-020-18645-9
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] 磁性トポロジカル絶縁体サンドイッチ構造の電子状態と磁化特性 Ⅱ (2022)
  • 著者名/発表者名: 福嶋隆司朗, 角田一樹, 竹田幸治, 田中清尚, 石原和宜, 一ノ倉 聖, 平原 徹
  • 学会等名: 日本物理学会第77回年次大会
• [学会発表] Substrate-induced Broken C4 Symmetry and Gap Variation in Superconducting Single-layer FeSe/SrTiO3 -√13x√13 (2022)
  • 著者名/発表者名: W. Si, T. Tanaka, S. Ichinokura, T. Hirahara
  • 学会等名: 日本物理学会第77回年次大会
• [学会発表] Caがインターカレートしたグラフェンにおける２重ディラックバンドと層間電子状態 (2022)
  • 著者名/発表者名: 一ノ倉聖, 德田啓, 福嶋隆司朗, 堀井健太郎, 遠山晴子, 秋山了太, 出田真一郎, 田中清尚, 清水亮太, 一杉太郎, 長谷川修司, 平原徹
  • 学会等名: 日本物理学会第77回年次大会
• [学会発表] Intercalation-induced superconductivity in graphene (2021)
  • 著者名/発表者名: Satoru Ichinokura
  • 学会等名: 2nd International Meeting on Thin Film Interfaces, Surfaces and Composite Crystals
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Substrate-induced Broken C4 Symmetry in Superconducting Monolayer FeSe/SrTiO3 - √13x√13 (2021)
  • 著者名/発表者名: W. Si, T. Tanaka, S. Ichinokura, and T. Hirahara
  • 学会等名: 29th International Colloquium on Scanning Probe Microscopy(ICSPM29)
  • 国際学会
• [学会発表] Van Hove Singularity in Thickness Controlled Li-Intercalated Graphene (2021)
  • 著者名/発表者名: S. Ichinokura, M. Toyoda, M. Hashizume, K. Horii, S. Kusaka, S. Ideta, K. Tanaka, R. Shimizu, T. Hitosugi, S. Saito, T. Hirahara
  • 学会等名: The 9th International Symposium on Surface Science (ISSS-9)
  • 国際学会
• [学会発表] 磁性トポロジカル絶縁体サンドウィッチ構造の電子状態と磁化特性 (2021)
  • 著者名/発表者名: 福嶋 隆司朗, 角田 一樹, 竹田 幸治, 一ノ倉 聖, 平原 徹
  • 学会等名: 2021年日本表面真空学会学術講演会
• [学会発表] Nbドープ SrTiO3上の単層 FeSeの電気伝導特性 (2021)
  • 著者名/発表者名: 出高志朗, 小林俊博, 田中友晃, 一ノ倉聖, 清水亮太, 一杉太郎, 平原徹
  • 学会等名: 2021年日本表面真空学会学術講演会
• [学会発表] Liインターカレートしたグラフェンにおける van Hove特異性の層数依存性 (2021)
  • 著者名/発表者名: 一ノ倉 聖, 豊田 雅之, 橋爪 瑞葵, 堀井 健太郎, 日下 翔太郎, 出田 真一郎, 田中 清尚, 清水 亮太, 一杉 太郎, 斎藤 晋, 平原 徹
  • 学会等名: 2021年日本表面真空学会学術講演会
• [学会発表] Local effect of sqrt13xsqrt13 reconstruction on single-layer FeSe/SrTiO3 (2021)
  • 著者名/発表者名: 司 文, 田中 友晃, 一ノ倉 聖, 平原 徹
  • 学会等名: 2021年日本表面真空学会学術講演会
• [学会発表] Liインターカレートした単層および多層グラフェンにおける質量のあるディラックコーン (2021)
  • 著者名/発表者名: 一ノ倉聖, 豊田雅之, 橋爪瑞葵, 堀井健太郎, 出田真一郎, 田中清尚, 清水亮太, 一杉太郎, 斎藤晋, 平原徹
  • 学会等名: 日本物理学会 2021年秋季大会
• [学会発表] NbドープSrTiO3上の単層FeSeの電気伝導測定 (2021)
  • 著者名/発表者名: 出高志朗, 小林俊博, 田中友晃, 一ノ倉聖, 清水亮太, 一杉太郎, 平原徹
  • 学会等名: 日本物理学会 2021年秋季大会
• [学会発表] SiC基板上のCaインターカレートグラフェンにおける超伝導 (2021)
  • 著者名/発表者名: 遠山晴子, 秋山了太, 橋爪瑞葵, 一ノ倉聖, 飯盛拓嗣, 松井朋裕, 堀井健太郎, 佐藤瞬亮, 保原麗, 遠藤由大,福山寛, 平原徹, 小森文夫, 長谷川修司
  • 学会等名: 日本物理学会 2021年秋季大会
• [学会発表] Local Effect of Surface Reconstruction on Superconducting Monolayer FeSe on SrTiO3 √13×√13 (2021)
  • 著者名/発表者名: SI WEN, TOMOAKI TANAKA, SATORU ICHINOKURA, TORU HIRAHARA
  • 学会等名: 日本物理学会 2021年秋季大会
• [学会発表] Caインターカレート誘起フリースタンディンググラフェンにおける構造と超伝導の相関 (2021)
  • 著者名/発表者名: 遠山晴子, 秋山了太, 佐藤瞬亮, 遠藤由大, 保原麗, 堀井健太郎, 橋爪瑞葵, 一ノ倉聖, 平原徹, 飯盛拓嗣, 小森文夫, 松井朋裕, 福山寛, 長谷川修司
  • 学会等名: 日本表面真空学会 2021年度関東支部講演大会
• [学会発表] Li-インターカレーションによる単層グラフェン/SiC(0001)の二層化とフラットバンドの占有 (2020)
  • 著者名/発表者名: 橋爪瑞葵, 一ノ倉聖, 豊田雅之, 日下翔太郎, 出田真一郎, 田中清尚, 清水亮太, 一杉太郎, 斎藤晋, 平原徹
  • 学会等名: 日本物理学会2020年秋季大会
• [学会発表] SrTiO3(001)-√13×√13上に作成した単層FeSeの超伝導特性 (2020)
  • 著者名/発表者名: 田中友晃, 一ノ倉聖, 清水亮太, 一杉太郎, 平原徹
  • 学会等名: 日本物理学会2020年秋季大会
• [学会発表] 磁性トポロジカル絶縁体ヘテロ構造MnBi2Te4/Bi2Te3の構造、電子状態と磁性 (2020)
  • 著者名/発表者名: 深澤拓朗, 日下翔太郎, 角田一樹, 橋爪瑞葵, 一ノ倉聖, 竹田幸治, 出田真一郎, 田中清尚, 清水亮太, 一杉太郎, 平原徹
  • 学会等名: 日本物理学会2020年秋季大会 2020/9/11
• [学会発表] 超高真空中での独立駆動4探針電気伝導測定法によるFeSe超薄膜/SrTiO3の界面超伝導の検出 (2020)
  • 著者名/発表者名: 一ノ倉聖, Pedersen Asger, 田中友晃, 清水亮太, 一杉太郎, 平原徹
  • 学会等名: 日本物理学会2020年秋季大会
• [学会発表] Li-インターカレーションによる 単層グラフェン/SiC(0001)の二層化とフラットバンドの占有 (2020)
  • 著者名/発表者名: 橋爪瑞葵, 一ノ倉聖, 豊田雅之, 日下翔太郎, 出田真一郎, 田中清尚, 清水亮太, 一杉太郎, 斎藤晋, 平原徹
  • 学会等名: UVSORシンポジウム2020
• [学会発表] アルカリ金属蒸着による単原子層h-BNのエネルギーバンドシフト (2020)
  • 著者名/発表者名: 一ノ倉聖, Hemmi Adrian, 清水亮太, 一杉太郎, Greber Thomas, 平原徹
  • 学会等名: 日本物理学会第76回年次大会
• [学会発表] LiインターカレートしたSiC上のグラフェンの層数制御によるリフシッツ転移の観測 (2020)
  • 著者名/発表者名: 橋爪瑞葵, 一ノ倉聖, 清水亮太, 一杉太郎, 平原徹
  • 学会等名: 日本物理学会第76回年次大会
• [学会発表] 磁性トポロジカル絶縁体サンドイッチ構造の電子状態と磁化特性 (2020)
  • 著者名/発表者名: 福嶋隆司朗, 角田一樹, 竹田幸治, 一ノ倉聖, 平原徹
  • 学会等名: 日本物理学会第76回年次大会
• [学会発表] BiとTeからなるトポロジカル絶縁体超格子の作製とその電子状態 (2020)
  • 著者名/発表者名: 日下翔太郎, 佐々木泰祐, Dmitrii Nabok, 角田一樹, 一ノ倉聖, 出田真一郎, 田中清尚, 宝野和博, Irene Aguilera, 平原徹
  • 学会等名: 日本物理学会第76回年次大会
• [学会発表] アルカリ金属蒸着によるRh薄膜上単原子層hBNの価電子帯シフト (2020)
  • 著者名/発表者名: 一ノ倉聖, Adrian Hemmi, 清水亮太，一杉太郎，Thomas Greber, 平原徹
  • 学会等名: 日本物理学会第75回年次大会
• [学会発表] Li照射による単原子層h-BNの電子バンドシフト (2019)
  • 著者名/発表者名: 一ノ倉聖, Adrian Hemmi, 清水亮太，一杉太郎，Thomas Greber, 平原徹
  • 学会等名: 2019年日本表面真空学会学術講演会