原子層ダイポールエンジニアリングによる超高性能水分解光触媒の開発

• 研究課題/領域番号: 23K17756
• 研究種目: 挑戦的研究(萌芽)
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 中区分21:電気電子工学およびその関連分野
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 加藤 俊顕 東北大学, 工学研究科, 准教授 (20502082)
• 研究期間 (年度): 2023-06-30 – 2026-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2023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); 2025年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円); 2024年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円); 2023年度: 3,250千円 (直接経費: 2,500千円、間接経費: 750千円)
• キーワード: TMD / ヤヌスTMD / 光触媒 / プラズマ / ダイポール

研究開始時の研究の概要

近年２次元材料である遷移金属ダイカルコゲナイド（TMD）において、片面のカルコゲン元素を別の元素に原子置換したヤヌスTMDが大きな注目を集めている。面直方向のダイポールが発現することが予測されているヤヌスTMDは、様々な特異な物性が理論的に予測されているが、高品質なヤヌスTMDを合成することが困難なため実験研究はほとんど進展していないのが現状である。特に、水分解光触媒作用が爆発的に増大することが理論的に予測されているが、実験的には実証されていない。そこで本研究では、独自の手法により高品質なヤヌスTMDを創製し、その光触媒作用の実証を目指す。

研究実績の概要

本研究は、高品質ヤヌスTMDの創製と光触媒作用実証の目的のもと、三ヵ年計画に基づき遂行するものである。初年度に当たる今年度は当初計画に従い研究を行い以下の成果を得た。
第一に、ヤヌスTMDの創製と高品質化に関して取り組んだ。高品質ヤヌスTMDを創製するには、欠陥導入無しで1原子層のみを原子置換する究極の原子置換技術の開発が必須である。そこで、これまで我々が開発してきた原子層材料へのマイルドプラズマプロセスを発展させることで、高品質ヤヌスTMDの創製を目指し実験を行った。その結果、ヤヌス化反応装置に観測窓を設置し、反応過程を蛍光(PL)スペクトルの変化としてリアルタイムに直接観測可能な“その場観測プラズマ原子置換装置”の開発に成功した。さらに、同装置を用いてヤヌス化条件であるプラズマ生成電力、圧力、基板設置位置等を精密に最適化した結果、欠陥密度の極めて少ないヤヌスTMDの創成に成功した。
第二に、ヤヌスTMDの詳細構造解析に取り組んだ。合成した高品質ヤヌスTMDに対して、走査型透過型電子顕微鏡（STEM）によるヤヌス置換割合と欠陥密度に関する精密計測を行った。その結果、極めて広範囲かつ均一にヤヌス化反応が進行していることを確認した。さらに、欠陥密度に関しては、ヤヌス化前の剥離WSe2とほぼ同程度であることが明らかとなり、欠陥密度の極めて低い高品質ヤヌスTMDが形成されていることを確認した。
これらの成果は今後の光触媒計測に向けて重要な成果である。

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

光触媒応用のための高品質ヤヌスTMDの創成を目指して研究を行い、その場観測プラズマ原子置換装置を活用することで、高品質ヤヌスTMDの合成を実現した。以上の結果から、当初計画に従っておおむね順調に進展していると判断した。

今後の研究の推進方策

初年度に高品質ヤヌスTMDの創成が実現できたことから、次年度以降では光触媒機能の計測を開始する。その際、結晶品質と触媒作用の比較を行うために、初年度開発に成功したその場観測プラズマ装置を活用して、欠陥密度を制御したヤヌスTMDを創製する技術が重要となる。本課題に対して、今後重点的に取り組む予定である。

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] Structural Diversity of Single-Walled Transition Metal Dichalcogenide Nanotubes Grown via Template Reaction (2023)
  • 著者名/発表者名: Y. Nakanishi, S. Furusawa, Y. Sato, T. Tanaka, Y. Yomogida, K. Yanagi, W. Zhang, H. Nakajo, S. Aoki, T. Kato, K. Suenaga, Y. Miyata
  • 雑誌名: Advanced Materials 巻: 35 号: 46 ページ: 23066312306631-23066312306631
  • DOI: 10.1002/adma.202306631
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Large scale integration of graphene - based quantum devices (2024)
  • 著者名/発表者名: Toshiaki Kato
  • 学会等名: Workshop Materials for Quantum Electronics
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Fabrication of edge-contacted graphene-superconductor junctions (2024)
  • 著者名/発表者名: Hiroto Ogura，Toshiaki Kato
  • 学会等名: 第66回フラーレン・ナノチューブ・グラフェン学会
• [学会発表] その場観測プロセスを活用した2次元原子層材料の高品質合成とヤヌス化 (2024)
  • 著者名/発表者名: Toshiaki Kato
  • 学会等名: 第71回応用物理学会春季学術講演会
  • 招待講演
• [学会発表] 遷移金属ダイカルコゲナイドのヤヌス化反応における電気伝導特性のその場観測 (2024)
  • 著者名/発表者名: Soma Aoki，Hiroshi Nakajo，Toshiaki Kato
  • 学会等名: 第71回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] Large scale integration of quantum devices based on 1D and 2D materials (2024)
  • 著者名/発表者名: Toshiaki Kato
  • 学会等名: AOS Quantum Forum & Seminars in Tohoku University
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] プラズマ原子置換法による高品質ヤヌスTMDの合成 (2023)
  • 著者名/発表者名: Toshiaki Kato
  • 学会等名: 6th EU-Japan Workshop on Graphene and Related 2D Materials (2023)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Synthesis and applications of 1D and 2D materials (2023)
  • 著者名/発表者名: Toshiaki Kato
  • 学会等名: Univ. Manchester - Tohoku Univ. Academic Exchange Workshop on 2D Materials
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] その場観測プラズマ機能化法による高品質ヤヌスTMDの創製 (2023)
  • 著者名/発表者名: Toshiaki Kato
  • 学会等名: 第12回フラーレン・ナノチューブ・グラフェン若手研究会
  • 招待講演
• [学会発表] Anomalous oxygen reactivity of Janus TMD revealed by in-situ monitoring plasma atomic functionalization (2023)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Nakajo，Soma Aoki，Toshiaki Kato
  • 学会等名: The 65th Fullerens-nanotubes-Graphene General Symposium
• [学会発表] Integration of graphene nanoribbon-based quantum dot devices (2023)
  • 著者名/発表者名: Tatsuki Kato，Mizuki Seo，Takahito Kitada，Tomohiro Otsuka，Toshiaki Kato
  • 学会等名: The 65th Fullerens-nanotubes-Graphene General Symposium
• [学会発表] Highly-Transparent Solar Cells Fabricated by Few Layer WS2 (2023)
  • 著者名/発表者名: Kohei Kanaya，Xing He，Toshiaki Kato
  • 学会等名: The 65th Fullerens-nanotubes-Graphene General Symposium
• [学会発表] その場観測プラズマ原子置換法を用いたヤヌスTMD単層膜の熱的安定性評価 (2023)
  • 著者名/発表者名: 小倉 宏斗、中條 博史、青木 颯馬、加藤俊顕
  • 学会等名: 第84回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] その場観測プラズマ原子置換法によるヤヌスTMD表面反応性の直接計測 (2023)
  • 著者名/発表者名: 中條 博史、青木 颯馬、加藤俊顕
  • 学会等名: 第84回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] Growth and functionalization dynamics of atomically thin 2D materials revealed with in-situ monitoring processing (2023)
  • 著者名/発表者名: Toshiaki Kato
  • 学会等名: MNC2023
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Highly transparent solar cell based on 2D materials (2023)
  • 著者名/発表者名: Toshiaki Kato
  • 学会等名: MRM2023
  • 国際学会 / 招待講演
• [図書] “数層遷移金属ダイカルコゲナイドの高透明太陽電池応用”,『遷移金属ダイカルコゲナイドの基礎と最新動向』 (2023)
  • 著者名/発表者名: 加藤俊顕
  • 総ページ数: 326
  • 出版者: 株式会社シーエムシー出版
  • ISBN: 9784781317588