原子層折り紙を利用したハーフナノチューブの作製と機能開拓

• 研究課題/領域番号: 22KJ2561
• 補助金の研究課題番号: 22J23293 (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28030:ナノ材料科学関連
• 研究機関: 東京都立大学
• 研究代表者: 金田 賢彦 東京都立大学, 理学研究科, 特別研究員(DC1)
• 研究期間 (年度): 2023-03-08 – 2025-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2023年度)
• 配分額: 2,500千円 (直接経費: 2,500千円); 2024年度: 800千円 (直接経費: 800千円); 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: 遷移金属カルコゲナイド / ナノチューブ / ナノスクロール / カイラリティ / スクロール

研究開始時の研究の概要

本研究では、原子層物質（二次元物質）のナノ半円筒構造(以下では、「ハーフナノチューブ」と定義)を利用した、物性制御と一次元電子系の実現を目指す。具体的には、基板上の原子層を抑えて固定し、溶媒により原子層をそのまま折り畳む「原子層折り紙」により、数ナノメートルの極微細な曲率半径を持つハーフナノチューブを作製する。特に、ハーフナノチューブへのキャリア蓄積による一次元電子系の実現と、曲率・カイラル構造に依存した光電・圧電変換機能の解明を目指す。本研究成果は、高効率な発電デバイスやセンサー、および低エネルギー消費な電子・発光素子の開発に繋がり、非常に幅広い分野で実生活に結びついていくことが期待される。

研究実績の概要

遷移金属ダイカルコゲナイド(TMDC)のチューブ構造は、近年その曲率や巻き方(カイラリティ)に由来した巨大バルク光起電力効果や非相反輸送現象などの新たな物理的特性により大きな注目を集めている。本研究では、長尺かつ微小な内径を持つナノスクロール構造の作製に向け、上部と下部のカルコゲン原子の種類を変えたヤヌス構造と呼ばれるTMDを用いて、シートを管状に巻く新たな手法を開発した。本年度は、昨年度作製に成功したナノスクロール構造の(i)光学特性や(ⅱ)電気化学特性などの特性を明らかとすることを目的に研究を進めてきた。具体的には顕微分光法を利用して、ナノスクロールの発光やラマン散乱をシリコン基板上で測定した。この実験から、ナノスクロールの発光が単層シートに対して著しい消光を示すことを明らかにした。またナノスクロールの構造に由来し、軸に平行な偏光を持つ光を照射したときに発光やラマン散乱の強度が増大することを明らかにした。これらの結果は、ナノスクロール構造が、通常の二次元シートと異なる一次元的な偏光特性を持つことを示している。また共同研究を通じて、導電性グラファイト基板上で走査プローブ顕微鏡を用いた電気化学計測を行った。ナノサイズのピペットを利用して、局所的な電気化学セルを形成し、試料表面を走査しながら電気化学計測を行うことで表面の反応に起因した電流を二次元イメージとして取得した。この測定より、極微小な直径のナノスクロール構造の端で大きな水素発生反応を示すことを明らかにした。この結果は、シート端が水素発生反応に寄与していることを示唆している。

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

ナノスクロール構造に由来する一次元的な光学特性を明らかにしたことに加え、ナノスクロールの水素発生特性の検証に成功した。特にナノスクロール構造で水素発生特性を検証した例は他になく、触媒応用が期待される。以上の結果は新たなナノ構造の作製と機能開拓の実現を目指す本研究においては、当初の予想を超える成果と言える。以上の結果より、研究は順調に進んでいるといえる。

今後の研究の推進方策

今後は昨年度に引き続き光学応答の測定を行い、曲率やチューブ構造に由来する特性を調べていく。具体的には、作製条件等を検討し、様々な組成や構造を持つナノスクロールを実現する。作製したナノスクロールの光学応答を低温で測定し、発光特性の構造相関や発光スペクトルのピーク構造を明らかにする。最終的には、バルク光起電力などの曲率やカイラル構造に由来する物性の探索へと繋げていくことを目標とする。

研究成果

• [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] 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] 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
• [学会発表] Fabrication and characterization of Janus MoSSe nanoscrolls (2024)
  • 著者名/発表者名: Masahiko Kaneda, Wenjin Zhang, Zheng Liu, Yanlin Gao, Mina Maruyama, Yusuke Nakanishi, Hiroshi Nakajo, Soma Aoki, Kota Honda, Tomoya Ogawa, Kazuki Hashimoto, Takahiko Endo, Kohei Aso, Tongmin Chen, Yoshifumi Oshima, Yukiko Yamada-Takamura, Yasufumi Takahashi, Susumu Okada, Toshiaki Kato, and Yasumitsu Miyata
  • 学会等名: International Winterschool on Electronic Properties of Novel Materials (IWEPNM)
  • 国際学会
• [学会発表] Nanoscrolls of Janus Monolayer Transition Metal Dichalcogenides (2023)
  • 著者名/発表者名: 金田 賢彦, 張 文金, 劉 崢, 高 燕林, 丸山 実那, 中西 勇介, 中條 博史, 青木 颯馬, 本田 航大, 小川 朋也, 橋本 和樹, 遠藤 尚彦, 麻生 浩平, 陳 桐民, 大島 義文, 高村 由起子, 高橋 康史, 岡田 晋, 加藤 俊顕, 宮田 耕充
  • 学会等名: 2.5次元物質科学 第5回領域会議
• [学会発表] Fabrication and characterization of Janus MoSSe nanoscrolls (2023)
  • 著者名/発表者名: Masahiko Kaneda, Wenjin Zhang, Zheng Liu, Yanlin Gao, Mina Maruyama, Yusuke Nakanishi, Hiroshi Nakajo, Soma Aoki, Kota Honda, Tomoya Ogawa, Kazuki Hashimoto, Takahiko Endo, Kohei Aso, Tongmin Chen, Yoshifumi Oshima, Yukiko Yamada-Takamura, Yasufumi Takahashi, Susumu Okada, Toshiaki Kato, and Yasumitsu Miyata
  • 学会等名: The 65th Fullerenes-Nanotubes-Graphene General Symposium
• [学会発表] Fabrication and characterization of Janus MoSSe nanoscrolls (2023)
  • 著者名/発表者名: 金田 賢彦, 張 文金, 劉 崢, 高 燕林, 丸山 実那, 中西 勇介, 中條 博史, 青木 颯馬, 本田 航大, 小川 朋也, 橋本 和樹, 遠藤 尚彦, 麻生 浩平, 陳 桐民, 大島 義文, 高村 由起子, 高橋 康史, 岡田 晋, 加藤 俊顕, 宮田 耕充
  • 学会等名: 第84回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] Janus 原子層を利用したナノスクロール構造の形成 (2023)
  • 著者名/発表者名: 金田 賢彦, 張 文金, 劉 崢, 高 燕林, 丸山 実那, 中西 勇介, 中條 博史, 青木 颯馬, 本田 航大, 小川 朋也, 橋本 和樹, 遠藤 尚彦, 麻生 浩平, 陳 桐民, 大島 義文, 高村 由起子, 高橋 康史, 岡田 晋, 加藤 俊顕, 宮田 耕充
  • 学会等名: 第17回 物性科学領域横断研究会
• [学会発表] Fabrication of nanoscroll structures using Janus MoSSe monolayers (2023)
  • 著者名/発表者名: 金田 賢彦, 張 文金, 劉 崢, 高 燕林, 丸山 実那, 中西 勇介, 中條 博史, 青木 颯馬, 本田 航大, 小川 朋也, 橋本 和樹, 遠藤 尚彦, 麻生 浩平, 陳 桐民, 大島 義文, 高村 由起子, 高橋 康史, 岡田 晋, 加藤 俊顕, 宮田 耕充
  • 学会等名: 量子物質理工学研究センター研究交流会
• [学会発表] Fabrication and characterization of Janus MoSSe nanoscrolls (2023)
  • 著者名/発表者名: Masahiko Kaneda, Wenjin Zhang, Zheng Liu, Yanlin Gao, Mina Maruyama, Yusuke Nakanishi, Hiroshi Nakajo, Soma Aoki, Kota Honda, Tomoya Ogawa, Kazuki Hashimoto, Takahiko Endo, Kohei Aso, Tongmin Chen, Yoshifumi Oshima, Yukiko Yamada-Takamura, Yasufumi Takahashi, Susumu Okada, Toshiaki Kato, and Yasumitsu Miyata
  • 学会等名: International Microprocesses and Nanotechnology Conference (MNC)
  • 国際学会