二次元超構造の高度構造制御と革新的物性化学への展開

• 研究課題/領域番号: 20H02566
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分28030:ナノ材料科学関連
• 研究機関: 名古屋大学
• 研究代表者: 北浦 良 名古屋大学, 理学研究科, 特任准教授 (50394903)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2023-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2022年度)
• 配分額: 17,680千円 (直接経費: 13,600千円、間接経費: 4,080千円); 2022年度: 5,460千円 (直接経費: 4,200千円、間接経費: 1,260千円); 2021年度: 6,110千円 (直接経費: 4,700千円、間接経費: 1,410千円); 2020年度: 6,110千円 (直接経費: 4,700千円、間接経費: 1,410千円)
• キーワード: 二次元半導体 / 結晶成長 / 光物性 / 二次元ヘテロ構造 / 超構造 / 機能開拓 / 二次元超構造 / 先端薄膜成長 / 固体物性 / 二次元結晶

研究開始時の研究の概要

二次元結晶（原子層）の積層・接合によって生み出される二次元超構造を用いた機能・デバイス創出が、化学・物理・材料を巻き込んで基礎および応用に渡って大きな注目を集めている。本研究では、自由自在に二次元超構造を構築する新たな方法論の確立を通して、多彩な新奇二次元超構造を用いた革新的な物性化学を切り開く。

研究成果の概要

本研究では、二次元半導体を対象に新たな結晶成長法を適用することで、従来では不可能であったナノスケールの二次元接合構造を実現できることを明らかとした。具体的には、有機金属化学気相成長法を用い、蒸気圧の高いMoおよびW原料を次々と切り替えて成長チャンバーに供給することで、六方晶窒化ホウ素基板上に幅がサブナノから数ナノメートルの接合幅をもつ二次元結晶を実現した。同様の手法は、接合構造を積層させた構造体にも適用可能であることも明らかとなった。また、これら新規ナノ構造に、第一原理計算および分光計測を適用し、次元性が混合した特異な構造に由来する電子状態および光学特性の解明にも成功した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究の意義は、新たなナノ構造作製手法を開発したことにある。これによって、従来法では実現できなかったナノスケール二次元ヘテロ構造をデザインして実現可能となり、これによって構造のデザインに基づいてさまざまな機能・物性を引き出すことが可能となる。とくに、二次元構造中にナノスケールの局所構造を作り込むことが可能となることから、量子光源や量子ビットといった量子技術への展開も視野に入る。

研究成果

• [雑誌論文] Gate-Induced Trans-Dimensionality of Carrier Distribution in Bilayer Lateral Heterosheet of MoS2 and WS2 for Semiconductor Devices with Tunable Functionality (2023)
  • 著者名/発表者名: Maruyama Mina、Ichinose Nanami、Gao Yanlin、Liu Zheng、Kitaura Ryo、Okada Susumu
  • 雑誌名: ACS Applied Nano Materials 巻: 6 号: 7 ページ: 5434-5439
  • DOI: 10.1021/acsanm.2c05561
  • 査読あり
• [雑誌論文] An observation of a photovoltaic effect in MoS₂ nanoribbons fabricated with a top-down approach (2023)
  • 著者名/発表者名: Zhang Shaochun、Xue Mengsong、Zeng Fanyu、Kitaura Ryo
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 16 号: 3 ページ: 035003-035003
  • DOI: 10.35848/1882-0786/acbf9f
  • 査読あり
• [雑誌論文] Synthesis and Characterization of Transition Metal Dichalcogenide Nanoribbons Based on a Controllable O₂ Etching (2023)
  • 著者名/発表者名: Canton-Vitoria Ruben、Hotta Takato、Xue Mengsong、Zhang Shaochun、Kitaura Ryo
  • 雑誌名: JACS Au 巻: 3 号: 3 ページ: 775-784
  • DOI: 10.1021/jacsau.2c00536
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Formation of a one-dimensional hole channel in MoS2 by structural corrugation (2023)
  • 著者名/発表者名: Gao Yanlin、Nakajima Haruna、Maruyama Mina、Taniguchi Takashi、Watanabe Kenji、Kitaura Ryo、Okada Susumu
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 62 号: 1 ページ: 015001-015001
  • DOI: 10.35848/1347-4065/acaae0
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Observation of the photovoltaic effect in a van der Waals heterostructure (2023)
  • 著者名/発表者名: Zhang Shaochun、Maruyama Mina、Okada Susumu、Xue Mengsong、Watanabe Kenji、Taniguchi Takashi、Hashimoto Kazuki、Miyata Yasumitsu、Canton-Vitoria Ruben、Kitaura Ryo
  • 雑誌名: Nanoscale 巻: 15 号: 12 ページ: 5948-5953
  • DOI: 10.1039/d2nr06616e
  • 査読あり
• [雑誌論文] Field-effect transistor antigen/antibody-TMDs sensors for the detection of COVID-19 samples (2023)
  • 著者名/発表者名: Canton-Vitoria Ruben、Sato Kotaro、Motooka Yashiro、Toyokuni Shinya、Liu Zheng、Kitaura Ryo
  • 雑誌名: Nanoscale 巻: 15 号: 9 ページ: 4570-4580
  • DOI: 10.1039/d2nr06630k
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Trion confinement in monolayer MoSe2 by carbon nanotube local gating (2022)
  • 著者名/発表者名: Hotta Takato、Nakajima Haruna、Chiashi Shohei、Inoue Taiki、Maruyama Shigeo、Watanabe Kenji、Taniguchi Takashi、Kitaura Ryo
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 16 号: 1 ページ: 015001-015001
  • DOI: 10.35848/1882-0786/aca642
  • 査読あり
• [雑誌論文] Interlayer Interactions in 1D Van der Waals Moire Superlattices (2021)
  • 著者名/発表者名: Sihan Zhao, Ryo Kitaura, Pilkyung Moon, Mikito Koshino, Feng Wang
  • 雑誌名: Adv. Sci. 巻: 9 号: 2 ページ: 2103460-2103460
  • DOI: 10.1002/advs.202103460
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Continuous Fermi level tuning of Nb-doped WSe2 under an external electric field (2021)
  • 著者名/発表者名: Hisama Kaoru、Gao Yanlin、Maruyama Mina、Kitaura Ryo、Okada Susumu
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 61 号: 1 ページ: 015002-015002
  • DOI: 10.35848/1347-4065/ac3726
  • NAID: 120007193866
  • 査読あり
• [雑誌論文] Identification of the position of piezoelectric polarization at the MoS2/metal interface (2021)
  • 著者名/発表者名: Umeda Masaya、Higashitarumizu Naoki、Kitaura Ryo、Nishimura Tomonori、Nagashio Kosuke
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 14 号: 12 ページ: 125002-125002
  • DOI: 10.35848/1882-0786/ac3d1f
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] A Versatile Post-Doping Towards Two-Dimensional Semiconductors (2021)
  • 著者名/発表者名: Yuya Murai, Shaochun Zhang, Takato Hotta, Zheng Liu, Takahiko Endo, Hiroshi Shimizu, Yasumitsu Miyata, Toshifumi Irisawa, Yanlin Gao, Mina Maruyama, Susumu Okada, Hiroyuki Mogi, Tomohiro Sato, Shoji Yoshida, Hidemi Shigekawa, Takashi Taniguchi, Kenji Watanabe, Canton-Vitoria Ruben, Ryo Kitaura
  • 雑誌名: ACS Nano 巻: 2021,15,12 号: 12 ページ: 19225-19232
  • DOI: 10.1021/acsnano.1c04584
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Femtosecond photoluminescence from monolayer MoSe2 : Time-domain study on exciton diffusion (2021)
  • 著者名/発表者名: K Saito, M Okada, R Kitaura, H Kishida, T Koyama
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 103 号: 20
  • DOI: 10.1103/physrevb.103.l201401
  • 査読あり
• [雑誌論文] Unveiling the Photoinduced Electron‐Donating Character of MoS 2 in Covalently Linked Hybrids Featuring Perylenediimide (2021)
  • 著者名/発表者名: Sideri Ioanna K.、Jang Youngwoo、Garc?s‐Garc?s Jose、Sastre‐Santos ?ngela、Canton‐Vitoria Ruben、Kitaura Ryo、Fern?ndez‐L?zaro Fernando、D'Souza Francis、Tagmatarchis Nikos
  • 雑誌名: Angewandte Chemie International Edition 巻: 60 号: 16 ページ: 9120-9126
  • DOI: 10.1002/anie.202016249
  • 査読あり
• [雑誌論文] Stabilization of metallic phases through formation of metallic/semiconducting lateral heterostructures (2020)
  • 著者名/発表者名: Canton-Vitoria Ruben、Hotta Takato、Liu Zheng、Inoue Tsukasa、Kitaura Ryo
  • 雑誌名: The Journal of Chemical Physics 巻: 153 号: 8 ページ: 084702-084702
  • DOI: 10.1063/5.0012782
  • 査読あり
• [雑誌論文] Enhanced Exciton?Exciton Collisions in an Ultraflat Monolayer MoSe2 Prepared through Deterministic Flattening (2020)
  • 著者名/発表者名: Hotta Takato、Ueda Akihiko、Higuchi Shohei、Okada Mitsuhiro、Shimizu Tetsuo、Kubo Toshitaka、Ueno Keiji、Taniguchi Takashi、Watanabe Kenji、Kitaura Ryo
  • 雑誌名: ACS Nano 巻: 15 号: 1 ページ: 1370-1377
  • DOI: 10.1021/acsnano.0c08642
  • NAID: 120007170455
  • 査読あり
• [雑誌論文] Exciton diffusion in hBN-encapsulated monolayer MoSe2 (2020)
  • 著者名/発表者名: Hotta Takato、Higuchi Shohei、Ueda Akihiro、Shinokita Keisuke、Miyauchi Yuhei、Matsuda Kazunari、Ueno Keiji、Taniguchi Takashi、Watanabe Kenji、Kitaura Ryo
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 102 号: 11 ページ: 115424-115424
  • DOI: 10.1103/physrevb.102.115424
  • 査読あり
• [雑誌論文] Microscopic Mechanism of Van der Waals Heteroepitaxy in the Formation of MoS2/hBN Vertical Heterostructures (2020)
  • 著者名/発表者名: Okada Mitsuhiro、Maruyama Mina、Okada Susumu、Warner Jamie H.、Kureishi Yusuke、Uchiyama Yosuke、Taniguchi Takashi、Watanabe Kenji、Shimizu Tetsuo、Kubo Toshitaka、Ishihara Masatou、Shinohara Hisanori、Kitaura Ryo
  • 雑誌名: ACS Omega 巻: 5 号: 49 ページ: 31692-31699
  • DOI: 10.1021/acsomega.0c04168
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Direct observation of molecular orbitals using synchrotron X-ray diffraction (2020)
  • 著者名/発表者名: S. Kitou, Y. Hosogi, R. Kitaura, T. Naito, T. Nakamura, H. Sawa
  • 雑誌名: Crystals 巻: 10 号: 11 ページ: 998-998
  • DOI: 10.3390/cryst10110998
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Dark-state impact on the exciton recombination of WS2 monolayers as revealed by multi-timescale pump-probe spectroscopy (2020)
  • 著者名/発表者名: Kuroda Takashi、Hoshi Yusuke、Masubuchi Satoru、Okada Mitsuhiro、Kitaura Ryo、Watanabe Kenji、Taniguchi Takashi、Machida Tomoki
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 102 号: 19 ページ: 195407-195407
  • DOI: 10.1103/physrevb.102.195407
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Low frequency Raman study of interlayer couplings in WS2-MoS2 van der Waals heterostructures (2020)
  • 著者名/発表者名: Saito Y, Kondo T, Ito H, Okada M, Shimizu T, Kubo T, Kitaura R
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 59 号: 6 ページ: 062004-062004
  • DOI: 10.35848/1347-4065/ab9400
  • 査読あり
• [学会発表] Fabrication and optical properties of 2D-semiconductor-based heterostructures (2022)
  • 著者名/発表者名: Kitaura Ryo
  • 学会等名: The 12th Symposium on Emerging materials
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Heterostructures based on two-dimensional semiconductors (2022)
  • 著者名/発表者名: Kitaura, Ryo
  • 学会等名: SSDM
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] An exploration of lateral/vertical van der Waals heterostructures (2022)
  • 著者名/発表者名: Kitaura, Ryo
  • 学会等名: OPA-JSAP symposium
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] An investigation of photovoltaic effects in two-dimensional systems (2022)
  • 著者名/発表者名: Shaochun Zhang and Ryo Kitaura
  • 学会等名: Nanocarbon research meeting
  • 招待講演
• [学会発表] Ultrathin Lateral Heterostructures Based on Two-Dimensional Semiconductors (2022)
  • 著者名/発表者名: Kitaura, Ryo
  • 学会等名: 241st ECS Meeting
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 二次元系をベースとした混合次元系への展開 (2021)
  • 著者名/発表者名: 北浦 良
  • 学会等名: 第16回酸化グラフェン研究会
  • 招待講演
• [学会発表] An exploration of mix-dimensional structures (2021)
  • 著者名/発表者名: Kitaura, Ryo
  • 学会等名: the International Workshop on Materials Science
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] An exploration of mix-dimensional systems (2021)
  • 著者名/発表者名: Kitaura, Ryo
  • 学会等名: MANA Special Seminar
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Two-dimensional ultrathin lateral heterostructures (2021)
  • 著者名/発表者名: Kitaura, Ryo
  • 学会等名: The 11th A3 symposium on emerging materials
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] One- and two-dimensional superlattices: Fabrication and properties (2021)
  • 著者名/発表者名: Kitaura, Ryo
  • 学会等名: Pacifichem
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Tailor-made two dimensional nano-scale super-structures (2021)
  • 著者名/発表者名: Nanami Ichinose, Satoshi Iida, Zheng Liu, Ryo Kitaura
  • 学会等名: 第61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
• [学会発表] Transport behaviors of excitonic carriers in monolayer transition metal dichalcogenides (2021)
  • 著者名/発表者名: Mengsong Xue,Takato Hotta, Ruben Canton-Vitoria, Ryo Kitaura
  • 学会等名: 第61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
• [学会発表] Optical properties of Zn-porphyrin covalently bounded to MoS2 and WS2 (2021)
  • 著者名/発表者名: Ruben Canton-Vitoria, Ryo Kitaura
  • 学会等名: The 60th Fullerene Nanotube Graphene General Symposium
• [学会発表] Transport properties of two-dimensional n/p-doped Transition Metal Dichalcogenides prepared trough a post-doping method (2021)
  • 著者名/発表者名: Shaochun Zhang, Yuya Murai, Toshinori Shirafuji, Ryo Kitaura
  • 学会等名: The 60th Fullerene Nanotube Graphene General Symposium
• [学会発表] Building of Platforms to Explore Transport Dynamics of Excitons and Trions in Monolayer Transition Metal Dichalcogenides (2021)
  • 著者名/発表者名: Mengsong Xue, Yuya Murai, Shaochun Zhang, Toshinori Shirafuji, Ryo Kitaura
  • 学会等名: The 60th Fullerene Nanotube Graphene General Symposium
• [学会発表] ポストドーピングによる遷移金属カルコゲナイド原子層のp/n型制御 (2021)
  • 著者名/発表者名: 村井 雄也 ，劉崢,入沢 寿史,遠藤 尚彦,宮田 耕充,吉田 昭二, 岡田 晋,北浦 良
  • 学会等名: 第６８回応用物理学会春季学術講演会