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原子細線ファンデルワールス結晶の創出と物性開拓

研究課題

研究課題/領域番号 22H00283
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
研究機関東京都立大学

研究代表者

宮田 耕充  東京都立大学, 理学研究科, 准教授 (80547555)

研究分担者 齋藤 理一郎  東北大学, 理学研究科, 客員研究者 (00178518)
中西 勇介  東京都立大学, 理学研究科, 助教 (50804324)
岡田 晋  筑波大学, 数理物質系, 教授 (70302388)
竹延 大志  名古屋大学, 工学研究科, 教授 (70343035)
劉 崢  国立研究開発法人産業技術総合研究所, 材料・化学領域, 上級主任研究員 (80333904)
研究期間 (年度) 2022-04-01 – 2025-03-31
研究課題ステータス 交付 (2024年度)
配分額 *注記
42,640千円 (直接経費: 32,800千円、間接経費: 9,840千円)
2024年度: 13,390千円 (直接経費: 10,300千円、間接経費: 3,090千円)
2023年度: 13,130千円 (直接経費: 10,100千円、間接経費: 3,030千円)
2022年度: 16,120千円 (直接経費: 12,400千円、間接経費: 3,720千円)
キーワード原子細線 / 化学気相成長 / 遷移金属カルコゲナイド / インターカレーション / ファンデルワールス結晶
研究開始時の研究の概要

本課題で着目する一次元物質は、数原子からなる直径の細線(原子細線)であり、重要な点は原子細線の単結晶を合成することである。原子細線結晶は、同じ物質で三次元固体、二次元薄膜、一次元細線として用いることが可能である。また、ファンデルワールス結晶の利点を生かし、原子細線結晶の作る一次元の空隙に原子や分子を挿入することにより、新規機能開拓が可能である。本申請では、①サイズ/形状制御された原子細線単結晶の合成、②細線間の空隙への原子/分子挿入技術の確立、③物質の次元をコントロールした物性開拓、に焦点を当て、原子細線の利点を最大限に生かした応用を探索する。

研究実績の概要

2023年度は、引き続き(i)原子細線の構造制御と物性解明、および(ii)原子細線束への異種原子のインターカレーションを中心に研究を進めた。
構造制御に関しては、化学気相成長の条件の改善を通じて、サファイア基板上での原子細線の配向薄膜の密度制御を行った。また、薄膜の形状加工の条件検討を行い、フォトリソグラフィーとプラズマエッチングを利用したプロセスの条件を確立した。この薄膜に電極を作製し、細線の軸に平行および垂直方向で大きな電気抵抗の異方性を示すことが確認された。これらは、薄膜における細線の配向状態を強く反映した結果といえる。また、異方的な電子状態の検証に向け、可視領域での光吸収スペクトルを測定した。上記に示した、成長条件の改善により、高密度に細線が配列した試料の作製が可能となった。このような高密度薄膜において吸収スペクトルにおけるS/N比を大きく改善することができ、偏光に依存した測定によって軸に平行な偏光に対し吸収ピークが増強することを明らかにした。これらの異方的な吸収ピークは、原子細線のバンド間遷移に起因するものであると考えられる。今後、実験結果と理論計算と比較し、その起源を明らかにする。
細線間の空隙への原子・分子の挿入技術の確立と構造解明に関しては、ドープ率の制御を中心に試料作製を行った。ドープ率の制御は、実績のあるIn原子を中心に処理時の温度・時間を変えながら、ラマンスペクトルの変化を調べた。特に、処理温度を変えたときに、ピークの形状が連続的に変化していく様子が観測され、ドープ率が制御できたことを示唆している。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

当初の計画通り、遷移金属カルコゲナイド原子細線束について、合成技術の高度化と空隙への異種原子の挿入に関する研究は順調に進んでいる。特に、高密度な配向薄膜の合成に成功し、電子輸送や光学特性の実験について進展があった。以上より、計画はおおむね順調に進展しているといえる。

今後の研究の推進方策

①原子細線のフェルミレベルや電子状態の制御を目指し細線間の空隙への原子・分子の挿入技術の開発を進める。具体的には、昨年度に引き続き気相法を利用した、異種金属のインターカレーションを行う。ドープ率の制御は、処理時の温度や時間を変えながら、ラマンスペクトルの変化を調べていく。異なる原子のインターカレーションでは、Tl、Gaやアルカリ金属について、引き続き温度等の処理条件の最適化を進める。作製した試料は、電子顕微鏡観察や元素分析により異種原子の分布や試料の結晶構造を評価していく。
②原子細線の物性については、分光および電子輸送を利用したアプローチより解明を目指す。分光に関しては、光吸収やラマンスペクトルより電子構造の異方性および低温での電子状態に関する研究を行う。具体的には、分光エリプソメトリーを利用した赤外から紫外域までの光学定数の測定や、パイエルス転移等の構造相転移の検証に向けてラマン散乱の温度依存性についての実験を進める。また、トンネル分光や電界ドーピングを利用した電子状態・物性探索に向け、絶縁膜転写とトップゲート電極の作製に関する要素技術を引き続き開発していく。

報告書

(3件)
  • 2023 実績報告書
  • 2022 審査結果の所見   実績報告書
  • 研究成果

    (55件)

すべて 2024 2023 2022 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (29件) (うち国際共著 16件、 査読あり 29件、 オープンアクセス 10件) 学会発表 (22件) (うち国際学会 17件、 招待講演 22件) 図書 (1件) 備考 (2件)

  • [国際共同研究] 国立台湾師範大学(その他の国・地域)

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      巻: 16 号: 7 ページ: 8993-9001

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      巻: 295 ページ: 108967-108967

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      巻: 5 号: 5 ページ: 2300514-2300514

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      巻: 17 号: 3 ページ: 035001-035001

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      巻: 18 号: 4 ページ: 2772-2781

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      巻: 5 ページ: 2300514-2300514

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    • ISSN
      0369-8009, 2188-2290
    • 年月日
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      巻: 17 号: 20 ページ: 19877-19886

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      巻: 62 号: 11 ページ: 112002-112002

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      巻: 107 号: 16 ページ: 165421-165421

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    • 雑誌名

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      巻: 108 号: 5

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    • 雑誌名

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      巻: 62 号: SC ページ: SC1026-SC1026

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  • [雑誌論文] Switching performance of optically generated spin current at the graphene edge2022

    • 著者名/発表者名
      Tian Yuan、Ukhtary M. Shoufie、Saito Riichiro
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 106 号: 4

    • DOI

      10.1103/physrevb.106.045420

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [学会発表] Growth and Characterization of 1D Transition Metal Chalcogenides2024

    • 著者名/発表者名
      Y. Miyata
    • 学会等名
      International Winterschool on Electronic Properties of Novel Materials 2024
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Functional devices based on transition metal dichalcogenides and hexagonal boron nitride heterostructures2024

    • 著者名/発表者名
      T. Takenobu
    • 学会等名
      15th Global Plasma Forum
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Low-dimensional nanostructures of Janus transition metal dichalcogenides2023

    • 著者名/発表者名
      Y. Miyata
    • 学会等名
      13th A3 Symposium on Emerging Materials
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 1D nanostructures based on transition metal chalcogenides2023

    • 著者名/発表者名
      Y. Miyata
    • 学会等名
      2D TMDs2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 1D Transition Metal Chalcogenides: Growth, Structures, and Properties2023

    • 著者名/発表者名
      Y. Miyata
    • 学会等名
      NT23
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 1D nanostructures based on transition metal chalcogenides2023

    • 著者名/発表者名
      Y. Miyata
    • 学会等名
      6th EU‐Japan Workshop on Graphene and Related 2D Materials (2023)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] グラフェンに関する10個のストーリー2023

    • 著者名/発表者名
      齋藤理一郎
    • 学会等名
      物理学会講話
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 低次元半導体物質の研究戦略-ナノチューブ、2次元物質-2023

    • 著者名/発表者名
      齋藤理一郎
    • 学会等名
      第42回電子材料シンポジウム
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 一次元遷移金属カルコゲナイド細線の展望と課題2023

    • 著者名/発表者名
      宮田耕充
    • 学会等名
      研究会「1次元、2次元物質科学の展望と課題」
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Millie Dresselhaus and Prof. Gene Dresselhaus2023

    • 著者名/発表者名
      R. Saito
    • 学会等名
      Workshop in honor of Prof. Millie and Gene Dresselhaus & Celebrating the retirement of Prof. Riichiro Saito,34-401, MIT, Boston, USA, (2023.2.20).
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Progress and Perspective of Carbon Nanotube2023

    • 著者名/発表者名
      R. Saito
    • 学会等名
      The 64th Fullerenes-NanotubesGraphene General Symposium,Nagoya University, Nagoya, (2023.3.1-3)
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Raman spectra and optical properties of nanotubes, TMD nanowire, and 2D materials2023

    • 著者名/発表者名
      R. Saito
    • 学会等名
      Workshop on Nanomaterial,National Taiwan Normal University, Taipei, (2023.3.23)
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Exploration of novel nanomaterials using nano-test-tubes2023

    • 著者名/発表者名
      Yusuke Nakanishi
    • 学会等名
      第10回東北大プラズマフォーラム
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Growth of one-dimensional transition metal chalcogenides2022

    • 著者名/発表者名
      宮田耕充
    • 学会等名
      12th A3 Symposium on Emerging Materials: Nanomaterials for Electronics, Energy, and Environment
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 一次元遷移金属カルコゲナイドの成長と評価2022

    • 著者名/発表者名
      宮田耕充
    • 学会等名
      ナノ科学シンポジウム
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Raman spectra of In-intercalated WTe nanowires2022

    • 著者名/発表者名
      R. Saito, N. T. Hung, R. Natsui, Y. Nakanishi, Y. Miyata
    • 学会等名
      12th A3 Symposium on Emerging Materials: Nanomaterials for Electronics, Energy, and Environment,Waseda University, Tokyo, (2022.11.7-9).
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Atomically Precise Synthesis of 1D Transition Metal Chalcogenides Using Nano-Test-Tubes2022

    • 著者名/発表者名
      Yusuke Nakanishi
    • 学会等名
      241st ECS Meeting
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Rolling 2D sheets into 1D nanotubes by using nano-test-tubes2022

    • 著者名/発表者名
      Yusuke Nakanishi
    • 学会等名
      10th A3 Meeting
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Atomically precise fabrication of 1D chalcogenides using nano-test-tubes2022

    • 著者名/発表者名
      Yusuke Nakanishi
    • 学会等名
      ICPACコタキナバル2022
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Thermoelectric Properties of van der Waals Materials2022

    • 著者名/発表者名
      Taishi Takenobu
    • 学会等名
      ICFMS2022(6th International Conference on Functional Materials Science 2022)
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Circularly Polarized Electroluminescence Induced by Strain Effect2022

    • 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)
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Functional light-emitting devices based on heterostructures of 2D materials2022

    • 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)
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [図書] Quantum ESPRESSO Course for Solid-State Physics: A Hands-On Guide2022

    • 著者名/発表者名
      Nguyen Tuan Hung, Ahmad. R. T. Nugraha, Riichiro Saito
    • 総ページ数
      362
    • 出版者
      Jenny Stanford Publishing, Singapore
    • ISBN
      9789814968379
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [備考]

    • URL

      https://nanotube.fpark.tmu.ac.jp/index.html

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [備考]

    • URL

      https://www.comp.tmu.ac.jp/nanotube/index.html

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書

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公開日: 2022-04-19   更新日: 2024-12-25  

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