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酸化物原子膜による革新的エピタキシー技術の創成

研究課題

研究課題/領域番号 23K17956
研究種目

挑戦的研究(萌芽)

配分区分基金
審査区分 中区分36:無機材料化学、エネルギー関連化学およびその関連分野
研究機関名古屋大学

研究代表者

長田 実  名古屋大学, 未来材料・システム研究所, 教授 (10312258)

研究期間 (年度) 2023-06-30 – 2025-03-31
研究課題ステータス 交付 (2023年度)
配分額 *注記
6,500千円 (直接経費: 5,000千円、間接経費: 1,500千円)
2024年度: 2,860千円 (直接経費: 2,200千円、間接経費: 660千円)
2023年度: 3,640千円 (直接経費: 2,800千円、間接経費: 840千円)
キーワード2次元材料 / 酸化物原子膜 / ボトムアップ合成 / エピタキシー技術
研究開始時の研究の概要

原子数個の厚みを有する原子膜(ナノシート)は、従来のバルク、薄膜とは異なる特異物性を発現する。原子膜は分子線エピタキシー等で実現する単原子層に相当しており、その構造、結晶化挙動の評価は薄膜成長、臨界物性の理解につながる普遍かつ重要な課題である。本研究では、従来、原子膜合成が困難である典型酸化物(TiO2, ZnO, BaTiO3など)を対象に、組成、構造、膜厚を精密に制御した原子膜の合成に挑戦し、先端構造解析により原子膜特有の特異構造、結晶化挙動の完全理解に迫る。さらに、原子膜を核とする薄膜成長、歪み超格子などへの展開を図り、酸化物原子膜をベースとする新しいエピタキシー技術の創成を目指す。

研究実績の概要

原子数個の厚みを有する原子膜(ナノシート)は、従来のバルク、薄膜とは異なる特異物性を発現し、新しい機能材料・デバイスとしての応用が期待されている。本研究では、原子膜合成が困難であった典型酸化物(TiO2, ZnO, BaTiO3など)を対象に、組成、構造、膜厚を制御した酸化物原子膜を合成し、酸化物原子膜の特異構造解明とエピタキシー技術への展開を目指した研究を推進している。本年度は、最近開発した鋳型合成法を利用し、酸化物原子膜の合成と特異構造・物性の解明を目指した研究を進めた。
単純酸化物のナノシート化に向けては、固体の界面活性剤結晶を利用したボトムアップ合成法を開発し、アモルファスシリカ、CeO2、ZrO2などの非層状酸化物のナノシート合成に成功した。他方、複合酸化物のナノシート化には、ナノシート自体をテンプレートとして利用し、厚み、組成、構造を精密に制御して合成する鋳型合成法を開発した。この手法により、工業的に重要な酸化物合成に挑戦し、Ti0.87O2ナノシートを鋳型とした水溶液プロセスにより、60℃という低温で単位格子数個の厚みを有するBaTiO3ナノシートの合成に成功した 。特性評価の結果、強誘電性は単位格子3個に相当する厚さ1.8 nmのナノシートまで維持されることを確認した。単位格子3個のBaTiO3強誘電体は、自立膜としては最小の膜厚であり、超薄膜における臨界物性の解明やデバイスの小型化に重要な指針を与えるものと期待される。
上記の合成法に加え、ワンポット反応法、剥離ナノシート技術の高度化にも取り組み、これらの合成技術を貴金属、酸化物、複合アニオン系に適用することで、従来合成が困難であった貴金属ナノシート(Au, Pt, Pd)、Ru1-xCoxO2、酸フッ化物など、広範なナノシート合成を達成した。

現在までの達成度 (区分)
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

当初予定していた典型酸化物の原子膜合成を達成し、特異構造解明、物性開拓につながった。特に、BaTiO3ナノシートの合成に成功した点は大きな収穫であり、超薄膜における臨界物性解明につながる成果である。また、従来合成が困難とされていたPdナノシートの完全合成にも成功するなどの新展開もあり、当初を上回る成果であった。

今後の研究の推進方策

本年度開発した酸化物原子膜をベースに原子膜特有の構造・反応性を利用したエピタキシー技術の創成を目指す。ZnO、BaTiO3などを対象に、原子膜のラテラル成長により、膜厚1格子から数格子の巨大原子膜や面内ヘテロ構造を作製し、その特異構造、電子状態の解析を行う。さらに、原子膜を利用したエピタキシー技術の新たな試みとして、非平衡物質の合成や歪みエンジニアリングに挑戦し、巨大誘電率物質の開発を目指す。以上の研究を通じ、酸化物原子膜をベースとする非平衡物質の合成、エピタキシー技術などへの展開を図る。

報告書

(1件)
  • 2023 実施状況報告書
  • 研究成果

    (43件)

すべて 2024 2023 その他

すべて 雑誌論文 (7件) (うち査読あり 3件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (31件) (うち国際学会 14件、 招待講演 11件) 図書 (2件) 備考 (1件) 産業財産権 (2件) (うち外国 1件)

  • [雑誌論文] Facile synthesis of Pd nanosheets and implications for superior catalytic activity2024

    • 著者名/発表者名
      S. Ando, E. Yamamoto, M. Kobayashi, A. Kumatani, M. Osada
    • 雑誌名

      ACS Nano

      巻: 18 号: 1 ページ: 461-469

    • DOI

      10.1021/acsnano.3c07861

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Hetero-assembly design of 2D oxide nanosheets for tailored thermal shielding materials2024

    • 著者名/発表者名
      H.Tsunematsu, Keita Nishibashi, E. Yamamoto, M. Kobayashi, T. Yoshida, M. Osad
    • 雑誌名

      Appl. Phys. Express

      巻: 17 号: 1 ページ: 015002-015002

    • DOI

      10.35848/1882-0786/ad13ce

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] 無機ナノシートの精密合成と機能材料への応用2024

    • 著者名/発表者名
      長田 実
    • 雑誌名

      科学と工業

      巻: 98 ページ: 35-41

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [雑誌論文] ナノシートでつくる高性能日射遮蔽膜2024

    • 著者名/発表者名
      長田 実、常松裕史
    • 雑誌名

      クリーンエネルギー

      巻: 33 ページ: 47-50

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [雑誌論文] ナノ材料でつくる高性能誘電体キャパシタ2024

    • 著者名/発表者名
      長田 実
    • 雑誌名

      自動車技術

      巻: 78 ページ: 114-115

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [雑誌論文] Emerging ceramic nanosheets: From tailored synthesis to electronic applications2023

    • 著者名/発表者名
      M. Osada
    • 雑誌名

      Journal of the Ceramic Society of Japan

      巻: 131 号: 11 ページ: 851-862

    • DOI

      10.2109/jcersj2.23126

    • ISSN
      1348-6535, 1882-0743
    • 年月日
      2023-11-01
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] 原子膜高誘電体・強誘電体の開発2023

    • 著者名/発表者名
      長田 実
    • 雑誌名

      ファインケミカル

      巻: 52 ページ: 5-13

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] 無機原子膜が拓く未来材料技術2024

    • 著者名/発表者名
      長田 実
    • 学会等名
      国際・産学連携インヴァースイノベーション材料創出プロジェクト令和5年度 公開討論会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] 無機2次元物質の精密合成と電子材料応用2024

    • 著者名/発表者名
      長田 実
    • 学会等名
      日本化学会第104春季年会(2024)
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 無機ナノシートでつくる未来材料2024

    • 著者名/発表者名
      長田 実
    • 学会等名
      日本化学会第104春季年会(2024)
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 無機フラットランド2024

    • 著者名/発表者名
      長田 実
    • 学会等名
      第71回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Emerging Inorganic Nanosheets: From Tailored Synthesis to Electronic/Energy Applications2024

    • 著者名/発表者名
      Minoru Osada
    • 学会等名
      The 66th Fullerenes-Nanotubes-Graphene General Symposium
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 単結晶性セリアナノシート合成とガドリニウムドープ2024

    • 著者名/発表者名
      山本瑛祐,伊東健太郎,小林 亮,長田 実
    • 学会等名
      国際・産学連携インヴァースイノベーション材料創出プロジェクト令和5年度 公開討論会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] パラジウムナノシートの精密合成と触媒特性2024

    • 著者名/発表者名
      安藤純也,山本瑛祐,小林 亮,熊谷明哉,長田 実
    • 学会等名
      国際・産学連携インヴァースイノベーション材料創出プロジェクト令和5年度 公開討論会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] 固体界活性剤を鋳型としたアモルファス シリカナノシートの精密合成2024

    • 著者名/発表者名
      竹崎佑麻,山本瑛祐,小林 亮,長田 実
    • 学会等名
      国際・産学連携インヴァースイノベーション材料創出プロジェクト令和5年度 公開討論会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] 原子膜集積による界面制御とマルチマテリアル化2023

    • 著者名/発表者名
      長田 実
    • 学会等名
      日本セラミックス協会 コーティング研究体2023年度第1回研究会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Emerging 2D Materials: From Tailored Synthesis to Device Application2023

    • 著者名/発表者名
      Minoru Osada
    • 学会等名
      JSPS日中韓フォーサイト事業
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Emerging 2D Oxides: From Tailored Synthesis to Device Integration2023

    • 著者名/発表者名
      Minoru Osada
    • 学会等名
      International Conference on Materials and Systems for Sustainability 2023 (ICMaSS 2023)
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 界面活性剤結晶の二次元空間でつくる新しい元素ブロック2023

    • 著者名/発表者名
      山本瑛祐,長田 実
    • 学会等名
      第7回元素ブロック研究会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 固体界面活性剤鋳型法による新しい二次元材料合成2023

    • 著者名/発表者名
      山本瑛祐,長田 実
    • 学会等名
      第20回酸化グラフェンナノシートシンポジウム
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 固体界面活性剤を活用した新規ナノシート合成2023

    • 著者名/発表者名
      山本瑛祐,長田 実
    • 学会等名
      令和5年度ハイブリッド材料シンポジウム
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 単結晶性ガドリニウムドープセリアナノシートの精密合成2023

    • 著者名/発表者名
      伊東健太郎,山本瑛祐,小林 亮,長田 実
    • 学会等名
      日本セラミックス協会 第36回秋季シンポジウム
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] 固体界面活性剤を鋳型としたアモルファスシリカナノシートの分子層制御2023

    • 著者名/発表者名
      竹崎佑麻,山本瑛祐,小林 亮,長田 実
    • 学会等名
      日本セラミックス協会 第36回秋季シンポジウム
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] 単結晶セリアナノシートの精密合成・集積およびイオン伝導性評価2023

    • 著者名/発表者名
      竹内 希,山本瑛祐,小林 亮,長田 実
    • 学会等名
      日本セラミックス協会 第36回秋季シンポジウム
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] パラジウムナノシートの新規合成と触媒特性2023

    • 著者名/発表者名
      安藤純也,山本瑛祐,小林 亮,熊谷明哉,長田 実
    • 学会等名
      第13回CSJ化学フェスタ(2023)
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] 固体界面活性剤を利用した単結晶性Gdドープセリアナノシートの合成2023

    • 著者名/発表者名
      伊東健太郎,山本瑛祐,小林 亮,長田 実
    • 学会等名
      第13回CSJ化学フェスタ(2023)
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] アモルファスジルコニアナノシートのボトムアップ合成及び特性評価2023

    • 著者名/発表者名
      山田 諭,山本瑛祐,小林 亮,長田 実
    • 学会等名
      2023年度 日本セラミックス協会東海支部 学術研究発表会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] Tailored Synthesis of Palladium Nanosheets and Mechanism of Boosted Catalytic Activity2023

    • 著者名/発表者名
      S. Ando, E. Yamamoto, M. Kobayashi, A. Kumatani, M. Osada
    • 学会等名
      JSPS日中韓フォーサイト事業
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Atomic Layer Engineering of 2D Ferroelectric Perovskites2023

    • 著者名/発表者名
      S. Morita, E. Yamamoto, M. Kobayashi, D. Urushihara, T. Asaka, M. Osada
    • 学会等名
      JSPS日中韓フォーサイト事業
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Tailored Synthesis of Ce1-xGdxO1-δ Nanosheets with Controlled Gadolinium Content2023

    • 著者名/発表者名
      K. Ito, E. Yamamoto, M. Kobayashi, M. Osada
    • 学会等名
      JSPS日中韓フォーサイト事業
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] A noble synthesis method of palladium nanosheets and mechanism of boosted catalytic activity2023

    • 著者名/発表者名
      S. Ando, E. Yamamoto, M. Kobayashi, A. Kumatani, M. Osada
    • 学会等名
      The 3rd International Symposium on Design & Engineering by Joint Inverse Innovation for Materials Architecture (DEJI2MA-3)
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Atomic Layer Engineering of D-J type perovskites Cs(Bi2Srm-3)(Tim-1Nb)O3m+12023

    • 著者名/発表者名
      S. Morita, E. Yamamoto, M. Kobayashi, D. Urushihara, T. Asaka, M. Osada
    • 学会等名
      The 3rd International Symposium on Design & Engineering by Joint Inverse Innovation for Materials Architecture (DEJI2MA-3)
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Rational approach for controlled Gd doping into ceria nanosheet2023

    • 著者名/発表者名
      K. Ito, E. Yamamoto, M. Kobayashi, M. Osada
    • 学会等名
      The 3rd International Symposium on Design & Engineering by Joint Inverse Innovation for Materials Architecture (DEJI2MA-3)
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Emerging Inorganic Nanosheets: From Tailored Synthesis to Applications2023

    • 著者名/発表者名
      M. Osada, M. Kobayashi, E. Yamamoto
    • 学会等名
      The 3rd International Symposium on Design & Engineering by Joint Inverse Innovation for Materials Architecture (DEJI2MA-3)
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Solid-state Surfactants Templating Method: Synthetic Approach for Designed Inorganic Nanosheets2023

    • 著者名/発表者名
      E. Yamamoto, M. Osada
    • 学会等名
      The 3rd International Symposium on Design & Engineering by Joint Inverse Innovation for Materials Architecture (DEJI2MA-3)
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Facile Synthesis of Pd Nanosheets and Mechanism of Boosted Catalytic Activity2023

    • 著者名/発表者名
      S. Ando, E. Yamamoto, M. Kobayashi, A. Kumatani, M. Osada
    • 学会等名
      International Conference on Materials and Systems for Sustainability 2023 (ICMaSS2023)
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Controlled gadolinium doping for ceria nanosheets utilizing solid surfactant crystals2023

    • 著者名/発表者名
      K. Ito, E. Yamamoto, M. Kobayashi, M. Osada
    • 学会等名
      International Conference on Materials and Systems for Sustainability 2023 (ICMaSS2023)
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Tailored synthesis of amorphous 2D oxide/oxyhydroxide nanosheets2023

    • 著者名/発表者名
      E. Yamamoto, M. Osada
    • 学会等名
      International Conference on Materials and Systems for Sustainability 2023 (ICMaSS2023)
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [図書] ゾル-ゲル法技術の最新動向2023

    • 著者名/発表者名
      長田 実、山本瑛祐
    • 総ページ数
      6
    • 出版者
      シーエムシー出版
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [図書] ゾル-ゲル法技術の最新動向2023

    • 著者名/発表者名
      小林 亮、長田 実
    • 総ページ数
      6
    • 出版者
      シーエムシー出版
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [備考] 分子レベルの薄さのパラジウムナノシートを開発 ~世界トップクラスの水素発生触媒を、低温で簡便に合成~

    • URL

      https://www.imass.nagoya-u.ac.jp/research/20231114_osada.html

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [産業財産権] 結晶配向膜、構造体、結晶配向膜の製造方法2024

    • 発明者名
      常松裕史、長田実
    • 権利者名
      常松裕史、長田実
    • 産業財産権種類
      特許
    • 出願年月日
      2024
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [産業財産権] 結晶配向膜、構造体、結晶配向膜の製造方法2023

    • 発明者名
      常松裕史、長田実
    • 権利者名
      常松裕史、長田実
    • 産業財産権種類
      特許
    • 出願年月日
      2023
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 外国

URL: 

公開日: 2023-07-04   更新日: 2024-12-25  

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