二次元半導体を母体とした単一光子光源の開発

• 研究課題/領域番号: 21K18930
• 研究種目: 挑戦的研究(萌芽)
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 中区分32:物理化学、機能物性化学およびその関連分野
• 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): 2021-07-09 – 2023-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2022年度)
• 配分額: 6,370千円 (直接経費: 4,900千円、間接経費: 1,470千円); 2022年度: 2,730千円 (直接経費: 2,100千円、間接経費: 630千円); 2021年度: 3,640千円 (直接経費: 2,800千円、間接経費: 840千円)
• キーワード: 二次元半導体 / 結晶成長 / 光物性 / 高精度ドーピング / 発光特性 / 単一光子光源 / 固体物性

研究開始時の研究の概要

本研究では、「高輝度・室温動作・低損失波長帯動作を兼ね備えた新しい単一光子光源」を 開発することに挑戦する。1パルス中に含まれる光子が１個に制限された単一光子発光源(SPE)は、量子力学基礎に関する研究や量子暗号通信の実現に不可欠である。とくに、量子暗号通信の実現には、"高輝度・室温動作・光ファイバー低損失波長帯"を併せ持ったSPEが必要となるが、いまだにこの3つのポイント全てを満たすSPEを制御して作り出すことは極め て困難である。本研究では優れた特性を有する二次元半導体を対象に、申請者オリジナルの 新技術（自在原子置換法）を適用することで、この現状を打破する全く新しいSPEを創出することに挑戦する。

研究成果の概要

本研究では、二次元半導体へ発光中心を制御して埋め込む手法を開発した。たとえば、WSe2およびMoSe2にそれぞれWやMoを置換して入れ込むことに成功するとともに、結晶成長法を用いてナノスケールのゼロ次元局所構造を二次元結晶に直接埋め込むことにも成功した。作製した試料の光学特性を詳細に調べたところ、母構造には見られない新たな光学遷移が現れ、これらは埋め込んだ発光中心に由来する光学遷移であると考えられる。この研究を通して、二次元半導体に基づく単一光子光源の開発の基盤となる材料技術を開発することに成功したため、今後のさらなる検討が速やかにすすむことが期待される。

研究成果の学術的意義や社会的意義

二次元半導体に元素をドーピングする技術は、バルク半導体と比して立ち遅れている。本研究で開発した手法は、発光中心の埋込を通した単一光子光源の実現へとつながるのみならず、二次元半導体を用いたナノデバイス作製の基本技術となる可能性を秘めたものである。また、二次元半導体にナノスケール局所構造を直接埋め込む手法はまったく新規なものであり、単一光子光源にとどまらず幅広い量子機能の発現にもつながると期待される。

研究成果

• [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] 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] 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] 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] 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] 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
• [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: B04 – 2D Materials in Japan
  • 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