原子層ヘテロ界面における一次元電子系の実現

• 研究課題/領域番号: 20J21812
• 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
• 審査区分: 小区分28020:ナノ構造物理関連
• 研究機関: 東京都立大学
• 研究代表者: 清水 宏 東京都立大学, 大学院理学研究科, 特別研究員(DC1)
• 研究期間 (年度): 2020-04-24 – 2023-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2022年度)
• 配分額: 2,500千円 (直接経費: 2,500千円); 2022年度: 800千円 (直接経費: 800千円); 2021年度: 800千円 (直接経費: 800千円); 2020年度: 900千円 (直接経費: 900千円)
• キーワード: 遷移金属カルコゲナイド / ナノワイヤー / 一次元電子系 / 化学気相成長法 / インターカレーション

研究開始時の研究の概要

近年、異なる原子層物質(二次元物質)が端で接合した面内原子層ヘテロ構造やその一次元的な接合界面における物性が注目を集めている。この一次元界面では、電子の閉じ込め効果による電子状態や電子輸送特性の変調などが予想されている。本研究では、原子層ヘテロ界面の一次元物性の解明を通じて、将来のデバイス応用に貢献する。具体的には、合成した半導体原子層のヘテロ構造を用いたデバイス作製方法を確立し、その発光特性や電子状態を明らかにしていく。

研究実績の概要

当該年度は、異種元素をインターカレーションした遷移金属カルコゲナイド(TMC)原子細線の構造解析及び電子輸送特性についての研究を行った。以下の二点が主要な成果となる。
①構造解析： WTe原子細線を化学気相成長で合成し、その後、400~500℃でインジウムの蒸気にさらすことでインターカレーションを行った。このIn-WTe試料を、細線の軸方向に垂直に切断し、その断面を電子顕微鏡で観測した。電子顕微鏡像より、隣り合うWTe細線の間にインジウム原子が充填されていることが明らかとなった。またインターカレーションにより、隣接する原子細線同士の距離が増加していることを確認した。ラマン分光測定から、WTe細線がインターカレーション前後で異なる振動ピークを示すことを観測した。これらの変化は、隣接する細線間にInがインターカレーションされたことによる、結晶構造の対称性の変化で説明される。
②電子輸送特性：インターカレーション処理したIn-WTe試料に対し、フォトリソグラフィーを利用してIn/Au電極を作製した。300Kから100~30Kの高温領域において、処理前と同様、温度の減少とともに抵抗が減少する金属的な特性を示す。一方100~30Kから1.9Kの低温領域では温度の減少とともに抵抗が増加する。特に、処理前のWTe試料と比較して抵抗がより大きく増加することが分かった。これらの傾向は、複数のIn-WTe試料で再現性良く確認された。さらに1.9Kの低温では、磁場の印可により磁気抵抗が減少する弱反局在効果的な特徴が観測された。
上記の成果はACS Nano誌に掲載されている。今後、様々な金属原子のインターカレーションにより、新たな三元系TMC原子細線の実現や、その物性・応用研究への展開が期待される。以上の理由より、予想以上の進展があったといえる。

現在までの達成度 (段落)

令和4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

令和4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] Vapor-Phase Indium Intercalation in van der Waals Nanofibers of Atomically Thin W6Te6 Wires (2023)
  • 著者名/発表者名: Natsui Ryusuke、Shimizu Hiroshi、Nakanishi Yusuke、Liu Zheng、Shimamura Akito、Hung Nguyen Tuan、Lin Yung-Chang、Endo Takahiko、Pu Jiang、Kikuchi Iori、Takenobu Taishi、Okada Susumu、Suenaga Kazu、Saito Riichiro、Miyata Yasumitsu
  • 雑誌名: ACS Nano 巻: 17 号: 6 ページ: 5561-5569
  • DOI: 10.1021/acsnano.2c10997
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Formation of a Two-Dimensional Electronic System in Laterally Assembled WTe Nanowires (2022)
  • 著者名/発表者名: Shimizu Hiroshi、Pu Jiang、Liu Zheng、Lim Hong En、Maruyama Mina、Nakanishi Yusuke、Ito Shunichiro、Kikuchi Iori、Endo Takahiko、Yanagi Kazuhiro、Oshima Yugo、Okada Susumu、Takenobu Taishi、Miyata Yasumitsu
  • 雑誌名: ACS Applied Nano Materials 巻: - 号: 5 ページ: 6277-6284
  • DOI: 10.1021/acsanm.2c00377
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Nanowire-to-Nanoribbon Conversion in Transition-Metal Chalcogenides: Implications for One-Dimensional Electronics and Optoelectronics (2021)
  • 著者名/発表者名: Lim Hong En、Liu Zheng、Kim Juan、Pu Jiang、Shimizu Hiroshi、Endo Takahiko、Nakanishi Yusuke、Takenobu Taishi、Miyata Yasumitsu
  • 雑誌名: ACS Applied Nano Materials 巻: 5 号: 2 ページ: 1775-1782
  • DOI: 10.1021/acsanm.1c03160
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [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] Wafer-Scale Growth of One-Dimensional Transition-Metal Telluride Nanowires (2020)
  • 著者名/発表者名: Lim Hong En、Nakanishi Yusuke、Liu Zheng、Pu Jiang、Maruyama Mina、Endo Takahiko、Ando Chisato、Shimizu Hiroshi、Yanagi Kazuhiro、Okada Susumu、Takenobu Taishi、Miyata Yasumitsu
  • 雑誌名: Nano Letters 巻: 21 号: 1 ページ: 243-249
  • DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c03456
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] 2D electronic transport properties of laterally-assembled WTe nanowires (2022)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Shimizu
  • 学会等名: The 63st Fullerenes-Nanotubes-Graphene General Symposium
  • 国際学会
• [学会発表] High mobility and 2D electron gas in aggregates of van der Waals WTe atomic wires (2021)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Shimizu, Jiang Pu, Zheng Liu, Hong En Lim, Yusuke Nakanishi, Takahiko Endo, Kazuhiro Yanagi, Taishi Takenobu, Yasumitsu Miyata
  • 学会等名: The 12th Recent Progress in Graphene and Two-dimensional Materials Research Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Indium intercalation in bundles of WTe atomic wires (2021)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Shimizu, Zheng Liu, Hong En Lim, Yusuke Nakanishi, Takahiko Endo & Yasumitsu Miyata
  • 学会等名: The 61st Fullerenes-Nanotubes-Graphene General Symposium
  • 国際学会
• [学会発表] Two-dimensional electron gas in laterally-assembled WTe atomic wires (2021)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Shimizu, Jiang Pu, Zheng Liu, Hong En Lim, Yusuke Nakanishi, Takahiko Endo, Kazuhiro Yanagi, Taishi Takenobu, Yasumitsu Miyata
  • 学会等名: 第60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] Electron transport properties of WTe nanowire networks (2020)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Shimizu, Jiang Pu, Hong En Lim, Yusuke Nakanishi, Zheng Liu,Takahiko Endo, Taishi Takenobu, Yasumitsu Miyata
  • 学会等名: 第59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] Electron transport properties of one-dimensional transition metal chalcogenide networks (2020)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Shimizu, Jiang Pu, Hong En Lim, Yusuke Nakanishi, Zheng Liu,Takahiko Endo, Taishi Takenobu, Yasumitsu Miyata
  • 学会等名: 33rd International Microprocesses and Nanotechnology Conference
• [学会発表] Electron transport of transition metal chalcogenide nanowire networks (2020)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Shimizu, Jiang Pu, Hong En Lim, Yusuke Nakanishi, Zheng Liu,Takahiko Endo, Taishi Takenobu, Yasumitsu Miyata
  • 学会等名: 2020 Virtual MRS Fall Meeting & Exhibit
  • 国際学会
• [産業財産権] 導電膜、導電部材及び導電膜の製造方法 (2020)
  • 発明者名: 宮田耕充、中西勇介、林宏恩、遠藤尚彦、安藤千里、清水宏
  • 権利者名: 宮田耕充、中西勇介、林宏恩、遠藤尚彦、安藤千里、清水宏
  • 産業財産権種類: 特許
  • 出願年月日: 2020