原子層半導体モアレヘテロ接合を用いた高性能・高機能偏光発光素子

• 研究課題/領域番号: 22KJ1555
• 補助金の研究課題番号: 22J13784 (2022)
• 研究種目: 特別研究員奨励費
• 配分区分: 基金 (2023); 補助金 (2022)
• 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: 名古屋大学
• 研究代表者: 欧 昊 名古屋大学, 工学研究科, 特別研究員(DC2)
• 研究期間 (年度): 2023-03-08 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 1,700千円 (直接経費: 1,700千円); 2023年度: 800千円 (直接経費: 800千円); 2022年度: 900千円 (直接経費: 900千円)
• キーワード: 原子層材料 / ヘテロ接合 / 圧電力顕微鏡 / 発光素子 / 原子層半導体 / モアレヘテロ接合 / ストレインエンジニアリング / 発光物性

研究開始時の研究の概要

本研究の研究対象である原子層材料モアレヘテロ接合は、最近、新奇物性（超伝導、新奇絶縁体等）の発見が次々に報告されており、物性物理分野において大きな注目を集めて、基盤研究だけではなく将来の応用も期待されている。一方で、その発光素子の研究は未だ僅かである。そこで申請者は、この特異な光物性を機能化した素子作製に逸早く着目し、高性能・高機能なモアレヘテロ発光素子を目指している。本研究の遂行によって、世界初モアレヘテロ接合発光素子の作製だけではなく、二次元材料モアレヘテロ接合への理解も一層深くなり、この材料系の新奇な物性を開拓できる。

研究実績の概要

本年度の研究は、原子層材料のヘテロ接合におけるモアレ超格子の歪み効果である。二層の原子層材料を重ねれば長周期的なモアレ超格子が現れ、ヘテロ接合の物性に新しい制御効果を与えるため、近年に大きな注目を集めている。研究代表者はモアレ超格子に間接的な歪みを印加し、超格子の意図的な変形を観測した。具体的に、まずは柔軟性があるプラスチック基板の表面にヘテロ接合を作製し、圧電力顕微鏡（PFM）を用いて直接にモアレ超格子を観測できる技術を確立した。基板の曲がりと共に歪みが導入されて超格子も変形する。基板を連続的に曲げて、超格子の連続変形も観測できた。結果として、モアレ超格子の周期性が歪みの効果で三角形から長方形になった。モアレ超格子の歪み変形を理解するために理論モデルも作った。実際の超格子の画像と照らして歪み状態を議論した。
歪みの印加によって物性に与える効果を討論するため、モアレ超格子のエネルギーバンド構造の変化を計算した。結果として、異方性且つ電子相関を同時に保有する電子状態を示唆した。歪み印加した超格子の高い制御性はモアレ物性物理に新しい可能性を与え、より深い理解や未だ見えていない現象の発見が期待できる。以上の結果をまとめ、論文作成も行っている。
本研究の目的は原子層半導体材料のヘテロ接合の発光素子作製と歪み効果を活用し、高い発光効率を有する偏光発光素子の実現である。研究期間に、研究代表者は原子層材料の発光素子作製とヘテロ接合におけるモアレ超格子のコントロールを巡って研究を実施した。成果として、本研究は高品質なヘテロ接合の発光素子を作製する手法を確立した。発光性能向上も観測できた。同時に、歪み印加したヘテロ接合のモアレ超格子の変形も観測した本研究の結果を基づいて、モアレ超格子の自在変形の実現及び発光素子の作製と高性能化が期待される。

研究成果

• [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] 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] Electric-field-induced metal-insulator transition and quantum transport in large-area polycrystalline MoS2 monolayers (2022)
  • 著者名/発表者名: Ou Hao、Yamada Tomoyuki、Mitamura Masaya、Edagawa Yusuke、Matsuda Tatsuma D.、Yanagi Kazuhiro、Chen Chang-Hsiao、Li Lain-Jong、Takenobu Taishi、Pu Jiang
  • 雑誌名: Physical Review Materials 巻: 6 号: 6 ページ: 064005-064005
  • DOI: 10.1103/physrevmaterials.6.064005
  • 査読あり / 国際共著
• [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] Strain-Modulated Emergence of Rectangular Moire Superlattice in Transition Metal Dichalcogenide van der Waals Heterostructures (2024)
  • 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: APS 2024 March Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Strain Modulation to Moire 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: 第84回 応用物理学会 秋季学術講演会
• [学会発表] Strain Modulation to Moire 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: 第65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] Strain modulation of moire pattern in 2D material heterobilayers (2023)
  • 著者名/発表者名: Hao Ou, Jiang Pu, Takahiko Endo, Yasumitsu Miyata, Taishi Takenobu
  • 学会等名: The 64th Fullerenes-Nanotubes-Graphene General Symposium
• [学会発表] 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, Hiroto Ogura, Takahiko Endo, Zheng Liu, Toshifumi Irisawa, Yusuke Nakanishi, Yanlin Gao, Mina Maruyama, Susumu Okada, Keisuke Shinokita, Kazunari Matsuda, Yasumitsu Miyata, Taishi Takenobu
  • 学会等名: 2022 International Conference on Solid State Devices and Materials
• [学会・シンポジウム開催] 12th International Workshop on 2D Materials (2023)