歪んだ原子層物質における室温純粋円偏光発光と電気的円偏光制御の実現

• 研究課題/領域番号: 22H00280
• 研究種目: 基盤研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 中区分28:ナノマイクロ科学およびその関連分野
• 研究機関: 名古屋大学
• 研究代表者: 竹延 大志 名古屋大学, 工学研究科, 教授 (70343035)
• 研究分担者: 蒲 江 東京科学大学, 理学院, 准教授 (00805765) ; 宮田 耕充 国立研究開発法人物質・材料研究機構, ナノアーキテクトニクス材料研究センター, グループリーダー (80547555)
• 研究期間 (年度): 2022-04-01 – 2026-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2025年度)
• 配分額: 42,510千円 (直接経費: 32,700千円、間接経費: 9,810千円); 2025年度: 8,580千円 (直接経費: 6,600千円、間接経費: 1,980千円); 2024年度: 8,580千円 (直接経費: 6,600千円、間接経費: 1,980千円); 2023年度: 9,360千円 (直接経費: 7,200千円、間接経費: 2,160千円); 2022年度: 15,990千円 (直接経費: 12,300千円、間接経費: 3,690千円)
• キーワード: 原子層物質 / 円偏光発光

研究開始時の研究の概要

近年、様々な分野において円偏光光源の必要性が急速に高まっている。しかしながら、既存技術による円偏光発光（右回り・左回り）の電気的な制御は極めて困難であり、円偏光を用いた次世代技術の可能性を大幅に狭めている。本研究は、全く新しい原理を用いた 室温における電流励起円偏光発光素子と、その電気的な偏光方向の切り替えの実現に挑戦する。

研究実績の概要

本研究は、全く新しい原理を用いた 室温における電流励起円偏光発光素子と、その電気的な偏光方向の切り替えの実現を目的とする。具体的には、申請者が発見した独自技術 『歪みを導入した原子層物質における室温かつ電気的制御可能な円偏光発光』を発展させる。本効果に関する理論計算は、室温における偏極率100%の純粋円偏光発光と電気的制御を予言しており、本研究は偏光方向制御の学理構築と、室温における純粋円偏光発光の電気的制御に挑戦している。
これまでの研究は、可撓性を有するプラスチック基板上に原子層物質を用いた発光素子（電気二重層発光ダイオード）を作製し、『プラスチック基板を曲げる』という簡便な方法により歪みを導入した。この際、原子層物質に導入される歪みは、プラスチック基板の厚みと屈曲時の曲率半径Rに比例し、本手法により10%を超える一軸性弾性変形が実現可能だ。しかし、大きく屈曲した基板は発光実験が難しく、現状では1%程度の歪みによる24%の偏極率に留まっていた。そこで、特に2023年度は、昨年度実現した1%を超える歪みの導入方法を発光素子に導入した。加えて、「より高強度な電場の導入」と「高密度なキャリアドーピング」を実現するために i) 冷却により電解質を凍結させ、電位窓を大きく超える電圧印加、(ii) 電解質が追随不可能な電圧パルスを用いた酸化還元反応を引き起こさない強電場印加手法の確立、の二点に着手し、大きな成果を得た。特に、2024年度に達成を目指していた「高密度なキャリアドーピング」に成功し、予定を前倒して研究を推進した。

現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

2023年度の目標であった「より高強度な電場の導入」に成功した。加えて、2024年度の達成目標であった「高密度なキャリアドーピング」において大きな成果が得られ、2024年度に着手予定であった「円偏光発光の評価手法の構築」などにも着手し、予定を前倒しての研究を推進した。以上より、当初の計画以上に進展しているといえる。

今後の研究の推進方策

引き続き、「1%を超える歪み導入手法」と「より高強度な電場の導入手法」を更にブラッシュアップしつつ、前倒しにて着手している「高密度なキャリアドーピング」「円偏光発光の評価手法の構築」などを、引き続き推進する。

研究成果

• [国際共同研究] POSTECH(韓国)
• [国際共同研究] QUT(オーストラリア)
• [国際共同研究] 台湾・National Cheng Kung University/台湾・National Taiwan University/台湾・National Applied Research Lab(その他の国・地域)
• [国際共同研究] NUS(シンガポール)
• [国際共同研究] POSTECH(韓国)
• [国際共同研究] QUT(オーストラリア)
• [国際共同研究] 台湾・National Cheng Kung University/台湾・National Taiwan University/台湾・National Applied Research Lab(その他の国・地域)
• [国際共同研究] NUS(シンガポール)
• [雑誌論文] Chemically Tailored Semiconductor Moire Superlattices of Janus Heterobilayers (2024)
  • 著者名/発表者名: W. Zhang, Z. Liu, H. Nakajo, S. Aoki, H. Wang, Y. Wang, Y. Gao, M. Maruyama, T. Kawakami, Y. Makino, M. Kaneda, T. Chen, K. Aso, T. Ogawa, T. Endo, Y. Nakanishi, K. Watanabe, T. Taniguchi, Y. Oshima, Y. Yamada-Takamura, M. Koshino, S. Okada, K. Matsuda, T. Kato, Y. Miyata
  • 雑誌名: small structures 巻: 5 号: 5 ページ: 2300514-2300514
  • DOI: 10.1002/sstr.202300514
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Nanoscrolls of Janus Monolayer Transition Metal Dichalcogenides (2024)
  • 著者名/発表者名: M. Kaneda, W. Zhang, Z. Liu, Y. Gao, M. Maruyama, Y. Nakanishi, H. Nakajo, S. Aoki, K. Honda, T. Ogawa, K. Hashimoto, T. Endo, K. Aso, T. Chen, Y. Oshima, Y. Yamada-Takamura, Y. Takahashi, S. Okada,T. Kato, and Y. Miyata
  • 雑誌名: ACS Nano 巻: 18 号: 4 ページ: 2772-2781
  • DOI: 10.1021/acsnano.3c05681
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Solution‐Processable Ultrapure‐Blue Light‐Emitting Electrochemical Cells (2023)
  • 著者名/発表者名: Tanaka Yuki、Ito Shun‐ichiro、Liu Junfeng、Ou Hao、Tanaka Hisaaki、Pu Jiang、Ikeno Atsuhiro、Hatakeyama Takuji、Takenobu Taishi
  • 雑誌名: Advanced Optical Materials 巻: 11 号: 17 ページ: 2301119-2301119
  • DOI: 10.1002/adom.202301119
  • 査読あり
• [雑誌論文] A Memristive Oscillator (2023)
  • 著者名/発表者名: Oshima Yugo、Takenobu Taishi、Pu Jiang、Ishiguro Keisuke、Kato Reizo、Yamamoto Hiroshi M.、Kusamoto Tetsuro
  • 雑誌名: Advanced Physics Research 巻: 3 号: 4 ページ: 2300117-2300117
  • DOI: 10.1002/apxr.202300117
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] High-throughput dry transfer and excitonic properties of twisted bilayers based on CVD-grown transition metal dichalcogenides (2023)
  • 著者名/発表者名: Naito Hibiki、Makino Yasuyuki、Zhang Wenjin、Ogawa Tomoya、Endo Takahiko、Sannomiya Takumi、Kaneda Masahiko、Hashimoto Kazuki、Lim Hong En、Nakanishi Yusuke、Watanabe Kenji、Taniguchi Takashi、Matsuda Kazunari、Miyata Yasumitsu
  • 雑誌名: Nanoscale Advances 巻: 5 号: 18 ページ: 5115-5121
  • DOI: 10.1039/d3na00371j
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Exciton energy transfer under low temperature in a lateral heteromonolayer of WSe₂?MoSe₂ (2023)
  • 著者名/発表者名: Masafumi Shimasaki, Takahiko Endo, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Kazunari Matsuda, Taishi Nishihara, Yasumitsu Miyata, and Yuhei Miyauchi
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 62 号: 11 ページ: 112002-112002
  • DOI: 10.35848/1347-4065/ad03ce
  • 査読あり
• [雑誌論文] Ion-gel-based light-emitting devices using transition metal dichalcogenides and hexagonal boron nitride heterostructures (2023)
  • 著者名/発表者名: Ou Hao、Oi Koshi、Usami Rei、Endo Takahiko、Miyata Yasumitsu、Pu Jiang、Takenobu Taishi
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 62 号: SC ページ: SC1026-SC1026
  • DOI: 10.35848/1347-4065/acaeb2
  • 査読あり
• [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] Large-Scale 1T′-Phase Tungsten Disulfide Atomic Layers Grown by Gas-Source Chemical Vapor Deposition (2022)
  • 著者名/発表者名: Okada Mitsuhiro、Pu Jiang、Lin Yung-Chang、Endo Takahiko、Okada Naoya、Chang Wen-Hsin、Lu Anh Khoa Augustin、Nakanishi Takeshi、Shimizu Tetsuo、Kubo Toshitaka、Miyata Yasumitsu、Suenaga Kazu、Takenobu Taishi、Yamada Takatoshi、Irisawa Toshifumi
  • 雑誌名: ACS Nano 巻: 16 号: 8 ページ: 13069-13081
  • DOI: 10.1021/acsnano.2c05699
  • 査読あり
• [雑誌論文] Continuous Color‐Tunable Light‐Emitting Devices Based on Compositionally Graded Monolayer Transition Metal Dichalcogenide Alloys (2022)
  • 著者名/発表者名: Pu Jiang、Ou Hao、Yamada Tomoyuki、Wada Naoki、Naito Hibiki、Ogura Hiroto、Endo Takahiko、Liu Zheng、Irisawa Toshifumi、Yanagi Kazuhiro、Nakanishi Yusuke、Gao Yanlin、Maruyama Mina、Okada Susumu、Shinokita Keisuke、Matsuda Kazunari、Miyata Yasumitsu、Takenobu Taishi
  • 雑誌名: Advanced Materials 巻: 34 号: 44 ページ: 2203250-2203250
  • DOI: 10.1002/adma.202203250
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] Functional devices based on transition metal dichalcogenides and hexagonal boron nitride heterostructures (2024)
  • 著者名/発表者名: Taishi Takenobu
  • 学会等名: 15th Global Plasma Forum
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 電気化学ドーピングによる導電性高分子の熱流制御(Ⅱ) (2024)
  • 著者名/発表者名: 伊藤 駿一郎, 上治 寛, 蓬田 陽平, 竹延 大志, 柳 和宏
  • 学会等名: 第71回 応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] Giant effective magnetic field in MoS2 monolayer induced by chiral ionic liquid (2024)
  • 著者名/発表者名: Shuta Hori, Jiang Pu, Ichiro Oya, Ryujiro Sumiya, Koshi Oi, Masayuki Suda, Shinji Miwa, Masashi Shiraishi, Taishi Takenobu
  • 学会等名: 66th FNTG symposium
  • 国際学会
• [学会発表] 導電性高分子PTzBT-14HD電気化学ドープ膜の伝導特性 (2024)
  • 著者名/発表者名: 後藤 拓, 伊藤 駿一郎, 田中 久暁, 尾坂 格, 竹延 大志
  • 学会等名: 第71回 応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] Functionalization of materials by strain and doping (2023)
  • 著者名/発表者名: Taishi Takenobu
  • 学会等名: Advanced Electronic and Optoelectronic Materials
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Strain engineering in atomically thin materials (2023)
  • 著者名/発表者名: Taishi Takenobu
  • 学会等名: MINI WORKSHOP ON FUNCTIONAL MATERIALS SCIENCE
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Unsolved problem in organic polymer materials (2023)
  • 著者名/発表者名: Taishi Takenobu
  • 学会等名: 熱電材料の高性能化はどこまで行くか(東京大学 物性研究所 短期研究会)
  • 招待講演
• [学会発表] Strain Modulation to Moir Superlattices in Two-Dimensional Material van der Waals Heterostructures (2023)
  • 著者名/発表者名: Hao Ou, Koshi Oi, Rei Usami, Takahiko Endo, Keisuke Shinokita, Kazunari Matsuda, Yasumitsu Miyata, Jiang Pu, Taishi Takenobu
  • 学会等名: 65th FNTG symposium
  • 国際学会
• [学会発表] ドナー・アクセプタ型高分子DPPT-TTドープ膜の伝導特性 (2023)
  • 著者名/発表者名: 田中 久暁、山床 凌太朗、伊藤 駿一郎、竹延 大志
  • 学会等名: 第84回 応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] Strain Modulation to Moir Superlattices in Transition Metal Dichalcogenide van der Waals Heterostructures (2023)
  • 著者名/発表者名: Hao Ou, Koshi Oi, Rei Usami, Takahiko Endo, Keisuke Shinokita, Kazunari Matsuda, Yasumitsu Miyata, Jiang Pu, Taishi Takenobu
  • 学会等名: 第84回 応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] 電気化学ドーピングによる導電性高分子の熱流制御 (2023)
  • 著者名/発表者名: 伊藤 駿一郎、上治 寛、蓬田 陽平、竹延 大志、柳 和宏
  • 学会等名: 第84回 応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] ファンデルワールスヘテロ構造への電気二重層キャリアドーピング (2023)
  • 著者名/発表者名: 宇佐美 怜、遠藤 尚彦、宮田 耕充、蒲 江、竹延 大志
  • 学会等名: 第84回 応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] κ-H3(Cat-EDT-TTF)2に対する電解質ゲート効果の探索 (2023)
  • 著者名/発表者名: 石黒圭祐, 伊東裕, 竹延大志, 上田顕, 藤野智子, 森初果
  • 学会等名: 日本物理学会第78回年次大会
• [学会発表] Thermoelectric Properties Temperature Dependence of Electrical Conductivity and Seebeck Coefficient in Electrochemically Electrochemically-Doped Conducting Polymer PBTTT (2023)
  • 著者名/発表者名: Shun- ichiro Ito, Kaito Kanahashi, Hisaaki Tanaka, Binjie Chen, Hiromichi Ohta, Taishi Takenobu
  • 学会等名: 2023 International Conference on Solid State Devices and Materials
  • 国際学会
• [学会発表] 有機高分子材料における階層性と金属伝導 (2023)
  • 著者名/発表者名: 竹延 大志
  • 学会等名: 2023年第70回応用物理学会 春季学術講演会
  • 招待講演
• [学会発表] 電解質を用いた機能性発光デバイス (2022)
  • 著者名/発表者名: 蒲 江
  • 学会等名: 22－１ 有機エレクトロニクス研究会
  • 招待講演
• [学会発表] Thermoelectric Properties of van der Waals Materials (2022)
  • 著者名/発表者名: Taishi Takenobu
  • 学会等名: ICFMS2022(6th International Conference on Functional Materials Science 2022)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Circularly Polarized Electroluminescence Induced by Strain Effect (2022)
  • 著者名/発表者名: Taishi Takenobu
  • 学会等名: ISPSA 2022(The 20th International Symposium on the Physics of Semiconductors and Applications)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Functional light-emitting devices based on heterostructures of 2D materials (2022)
  • 著者名/発表者名: Taishi Takenobu
  • 学会等名: RPGR2022(The 13th Recent Progress in Graphene and Two-dimensional Materials Research Conference)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Efficient and Chiral Electroluminescence from In-Plane Heterostructure of Transition Metal Dichalcogenide Monolayers (2022)
  • 著者名/発表者名: Jiang Pu, Naoki Wada, Yuhei Takaguchi, Wenjin Zhang, Zheng Liu, Takahiko Endo, Toshifumi Irisawa, Kazunari Matsuda, Yuhei Miyauchi, Yasumitsu Miyata, Taishi Takenobu
  • 学会等名: SSDM2022(2022 International Conference on Solid State Devices and Materials)
  • 国際学会
• [学会発表] Continuous Color-Tunable Light-Emitting Devices Based on Compositionally Graded Monolayer Transition Metal Dichalcogenide Alloys (2022)
  • 著者名/発表者名: Hao Ou, Jiang Pu, Tomoyuki Yamada, Naoki Wada, Hibiki Naito, Zheng Liu, Toshifumi Irisawa, Yusuke Nakanishi, Yasumitsu Miyata, Taishi Takenobu
  • 学会等名: SSDM2022(2022 International Conference on Solid State Devices and Materials)
  • 国際学会
• [学会発表] Electric double layer doping in WSe2/WS2 van der Waals heterostructure (2022)
  • 著者名/発表者名: Rei Usami, Koshi Oi, Motoki Matsuno, Takahiko Endo, Yasumitsu Miyata, Jiang Pu, Taishi Takenobu
  • 学会等名: MNC2022(35th International Microprocesses and Nanotechnology Conference)
  • 国際学会
• [学会発表] Efficient and Chiral Electroluminescence from In-Plane Heterostructure of Transition Metal Dichalcogenide Monolayers (2022)
  • 著者名/発表者名: Jiang Pu, Naoki Wada, Yuhei Takaguchi, Wenjin Zhang, Takahiko Endo, Zheng Liu, Toshifumi Irisawa, Kazunari Matsuda, Yuhei Miyauchi, Yasumitsu Miyata, Taishi Takenobu
  • 学会等名: RPGR2022(The 13th Recent Progress in Graphene and Two-dimensional Materials Research Conference)
  • 国際学会
• [学会発表] EL Emission in van der Waals Heterostructures (2022)
  • 著者名/発表者名: Rei Usami, Koshi Oi, Motoki Matsuno, Takahiko Endo, Yasumitsu Miyata, Jiang Pu, Taishi Takenobu
  • 学会等名: RPGR2022(The 13th Recent Progress in Graphene and Two-dimensional Materials Research Conference)
  • 国際学会
• [図書] 遷移金属ダイカルコゲナイドの基礎と最新動向（電気二重層トランジスタと熱電デバイス） (2023)
  • 著者名/発表者名: 竹延大志
  • 総ページ数: 326
  • 出版者: シーエムシー出版
  • ISBN: 9784781317588
• [備考] 高品質な二次元半導体の接合構造を利用した発光デバイスを実現
  • URL: https://www.nagoya-u.ac.jp/researchinfo/result/2022/07/post-293.html
• [備考] 無機ナノファイバーに金属原子を挿入する技術を開発 ～次世代のエレクトロニクス応用に期待～
  • URL: https://www.nagoya-u.ac.jp/researchinfo/result/2023/03/post-467.html