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原子層人工ヘテロ構造における新規光物性と光学応用

公募研究

研究領域原子層科学
研究課題/領域番号 16H00910
研究種目

新学術領域研究(研究領域提案型)

配分区分補助金
審査区分 理工系
研究機関京都大学

研究代表者

松田 一成  京都大学, エネルギー理工学研究所, 教授 (40311435)

研究期間 (年度) 2016-04-01 – 2018-03-31
研究課題ステータス 完了 (2017年度)
配分額 *注記
6,240千円 (直接経費: 4,800千円、間接経費: 1,440千円)
2017年度: 3,120千円 (直接経費: 2,400千円、間接経費: 720千円)
2016年度: 3,120千円 (直接経費: 2,400千円、間接経費: 720千円)
キーワード原子層物質 / 人工ヘテロ構造 / 光物性 / 光学デバイス / ヘテロ構造
研究実績の概要

Type-I遷移金属ダイカルコゲナイド・人工ヘテロ構造の光物性)
これまでに報告されている単層遷移金属ダイカルコゲナイド同士のヘテロ構造は、その多くがType-IIと呼ばれるバンドアライメントとなっている。その一方で、価電子帯の最上部と伝導帯の最下部が同じ層に存在するType-Iでは、バンドギャップの広い層(バリア層)によって狭い層(井戸層)に電子とホールが空間的に閉じ込められる。そのため、半導体光デバイスにおいて最も基本的なバンドアラインメントとなっている。しかし、六方格子の対称性を有する単層遷移金属ダイカルコゲナイド(MX2:M=Mo, W, X=S, Se, Te)ヘテロ構造では、Type-Iバンドアラインメントは報告されておらず、未だ研究が進んでいない。
そこで本年度は、第一原理計算からType-Iバンドアラインメントが予想される、WSe2とMoTe2を積層したWSe2/MoTe2ヘテロ構造を作製し、その光学的性質を詳細に調べた。その結果、WSe2/MoTe2ヘテロ構造においてバリア層となるWSe2層の発光が大きく減少する一方で、MoTe2と同じエネルギー位置にヘテロ構造においても明確な発光が観測された。さらに、WSe2層の層数を増やしたヘテロ構造を作製し発光を測定すると、層数の増加に応じて発光強度が増大する事が観測された。これらは、このヘテロ構造のバンドアラインメントがType-Iであること、さらに、バリア層による吸収が実効的に増大し、光励起キャリアの移動で井戸層MoTe2からの発光強度が増大することを示している。このようにMoTe2とWSe2を積層した系では、Type-Iヘテロ構造に固有なキャリアダイナミクスや発光強度の増大など、特徴的な光学特性を示すことが明らかとなった。

現在までの達成度 (段落)

29年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

29年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(2件)
  • 2017 実績報告書
  • 2016 実績報告書
  • 研究成果

    (30件)

すべて 2018 2017 2016 その他

すべて 国際共同研究 (3件) 雑誌論文 (10件) (うち国際共著 5件、 査読あり 10件、 謝辞記載あり 2件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (15件) (うち国際学会 11件、 招待講演 15件) 図書 (2件)

  • [国際共同研究] シンガポール国立大学(シンガポール)

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [国際共同研究] アブドラ国王理工大学(アラブ首長国連邦)

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [国際共同研究] シンガポール国立大学(シンガポール)

    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
  • [雑誌論文] Carrier Transport and Photoresponse in GeSe/MoS2 Heterojunction p-n Diodes2018

    • 著者名/発表者名
      Tan Dezhi、Wang Xiaofan、Zhang Wenjin、Lim Hong En、Shinokita Keisuke、Miyauchi Yuhei、Maruyama Mina、Okada Susumu、Matsuda Kazunari
    • 雑誌名

      Small

      巻: - 号: 22 ページ: 1704559-1704559

    • DOI

      10.1002/smll.201704559

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Self-Aligned and Scalable Growth of Monolayer WSe2-MoS2 lateral heterojunctions2018

    • 著者名/発表者名
      M-Y. Li, J. Pu, J-K. Huang, Y. Miyauchi, K. Matsuda, T. Takenobu, and L-J Li
    • 雑誌名

      Advanced Functional Materials

      巻: 28 号: 17 ページ: 1706860-1706860

    • DOI

      10.1002/adfm.201706860

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Long radiative lifetimes of excitons in monolayer transition-metal dichalcogenides MX2 (M = Mo, W; X = S, Se)2018

    • 著者名/発表者名
      N. B. Mohamed, H. E. Lim, F. Wang, S. Koirala, S. Mouri, K. Shinokita, Y. Miyauchi, and K. Matsuda
    • 雑誌名

      Applied Physics Express

      巻: 11 号: 1 ページ: 015201-015201

    • DOI

      10.7567/apex.11.015201

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Polarization-sensitive and broadband germanium sulfide photodetectors with excellent high-temperature performance2017

    • 著者名/発表者名
      D. Tan, W. Zhang, X. Wang, K. Sandhaya, Y. Miyauchi, and K. Matsuda
    • 雑誌名

      Nanoscale

      巻: 9 号: 34 ページ: 12425-12431

    • DOI

      10.1039/c7nr03040a

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Thermal dissociation of inter-layer excitons in MoS2/MoSe2 hetero-bilayers2017

    • 著者名/発表者名
      S. Mouri, W. Zhang, D. Kozawa, Y. Miyauchi, G. Eda and K. Matsuda
    • 雑誌名

      Nanoscale

      巻: 9 号: 20 ページ: 6674-6679

    • DOI

      10.1039/c7nr01598d

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Thermal Dissociation of Inter-layer Excitons in MoS2/MoSe2 Hetero-bilayers2017

    • 著者名/発表者名
      S. Mouri, W. Zhang, D. Kozawa, Y. Miyauchi, G. Eda and K. Matsuda,
    • 雑誌名

      Nanoscale

      巻: in press

    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Evaluation of photoluminescence quantum yield of monolayer WSe2 using reference dye of 3-borylbithiophene derivative2017

    • 著者名/発表者名
      N. Baizura Mohamed, F. Wang, H. En Lim, W. Zhang, S. Koirala, S. Mouri, Y. Miyauchi, and K. Matsuda
    • 雑誌名

      Phys. Status. Solidi. B

      巻: 254 号: 2 ページ: 1600563-1600563

    • DOI

      10.1002/pssb.201600563

    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Anisotropic optical and electronic properties of two-dimensional layered germanium sulfide2017

    • 著者名/発表者名
      D. Tan, H. En Lim, N. Baizura Mohamed, S. Mouri, W. Zhang, Y. Miyauchi, M. Ohfuchi, and K. Matsuda
    • 雑誌名

      Nano Research

      巻: 10 号: 2 ページ: 546-555

    • DOI

      10.1007/s12274-016-1312-6

    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Observation of biexcitonic emission at extremely low power density in tungsten disulfide atomic layers grown on hexagonal boron nitride2017

    • 著者名/発表者名
      M. Okada, Y. Miyauchi, K. Matsuda, T. Taniguchi, K. Watanabe, H. Shinohara, and R. Kitaura
    • 雑誌名

      Scientific Report

      巻: 7 号: 1 ページ: 322-322

    • DOI

      10.1038/s41598-017-00068-0

    • NAID

      120006305891

    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Evidence for fast interlayer energy transfer in MoSe2/WS2 heterostructures2016

    • 著者名/発表者名
      D. Kozawa, A. Carvalho, I. Verzhbitskiy, F. Giustiniano, Y. Miyauchi, S. Mouri, A. H. Castro Neto, K. Matsuda, and G. Eda
    • 雑誌名

      Nano letters

      巻: 16 号: 7 ページ: 4087-4093

    • DOI

      10.1021/acs.nanolett.6b00801

    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [学会発表] Novel Optical Phenomena of Nano-Carbon and Atomically Thin Two-Dimensional Materials2017

    • 著者名/発表者名
      K. Matsuda
    • 学会等名
      18th International Conference on the Science and Application of Nanotubes and Low-dimensional Materials
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Optical Properties and Application of Atomically Thin Two-Dimensional Materials2017

    • 著者名/発表者名
      K. Matsuda
    • 学会等名
      AM-FPD2017
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Optical Science of Atomically Thin Two-dimensional Material and Its Artificial Hetero-structure2017

    • 著者名/発表者名
      K. Matsuda
    • 学会等名
      CEMS Topical Meeting on Emergent 2D Materials 2017
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Optical Dynamics of Transition Metal Dichalcogenides and its Hetero-structures2017

    • 著者名/発表者名
      K. Matsuda
    • 学会等名
      8th A3 Symposium on Emerging Materials
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Optical properties and application of transition metal dichalcogenides and group IV monochalcogenides2016

    • 著者名/発表者名
      K. Matsuda
    • 学会等名
      Singapore International Chemistry Conference (SICC9)
    • 発表場所
      Singapore
    • 年月日
      2016-12-11
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 原子層二次元物質・ヘテロ構造の光物性と機能2016

    • 著者名/発表者名
      松田一成
    • 学会等名
      第10回物性科学領域横断研究会
    • 発表場所
      神戸
    • 年月日
      2016-12-09
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Novel excitonic properties and its application of single-walled carbon nanotube2016

    • 著者名/発表者名
      K. Matsuda
    • 学会等名
      International Symposium on Carbon Nanotube in Commemoration of its Quarter-Century Anniversary (CNT25)
    • 発表場所
      Tokyo
    • 年月日
      2016-11-15
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Emergent optical properties of transition metal dichalcogenides and group IV monochalcogenides2016

    • 著者名/発表者名
      K. Matsuda
    • 学会等名
      7th A3 Symposium on Emerging Materials : Nanomaterials for Electronics, Energy and Environment
    • 発表場所
      Buyeo, Korea
    • 年月日
      2016-10-30
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 低次元ナノカーボン物質の光学特性とその応用2016

    • 著者名/発表者名
      松田一成
    • 学会等名
      第65回高分子討論会
    • 発表場所
      神奈川
    • 年月日
      2016-09-14
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Luminescence properties in atomically thin two-dimensional material and its heterostructure2016

    • 著者名/発表者名
      K. Matsuda
    • 学会等名
      The 16th International Meeting on Information Display (IMID2016)
    • 発表場所
      Jeju, Korea
    • 年月日
      2016-08-23
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Optical properties and application of artificial hetero-structure using graphene and transition metal dichlcogenides2016

    • 著者名/発表者名
      K. Matsuda
    • 学会等名
      Satellite Symposia of NT 16, 7th Graphene and 2D Materials Satellite Symposium (GSS)
    • 発表場所
      Viena, Austria
    • 年月日
      2016-08-13
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 二次元原子層物質・原子層ヘテロ構造における光学的性質とその応用2016

    • 著者名/発表者名
      松田一成
    • 学会等名
      日本学術振興会第147アモルファス・ナノ委員会
    • 発表場所
      東京
    • 年月日
      2016-08-04
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Novel optical excited states of nano-carbon and atomically thin two-dimensional materials2016

    • 著者名/発表者名
      K. Matsuda
    • 学会等名
      19th International Conference on Dynamical Process in Excited States of Solids (DPC'16)
    • 発表場所
      Paris, France
    • 年月日
      2016-07-17
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 原子層二次元材料の光物性・機能とその応用2016

    • 著者名/発表者名
      松田一成
    • 学会等名
      日本学術振興会第131薄膜委員会
    • 発表場所
      大阪
    • 年月日
      2016-07-11
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Novel optical phenomena in nano-carbon and atomically thin two-dimensional materials2016

    • 著者名/発表者名
      K. Matsuda
    • 学会等名
      2016 International Conference on Advanced Applied Fluorescence Spectroscopy
    • 発表場所
      Beijin, China
    • 年月日
      2016-04-18
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [図書] カルコゲナイド系層状物質の最新研究,、第六章「単層遷移金属ダイカルコゲナイドの光学的性質」2016

    • 著者名/発表者名
      松田一成
    • 総ページ数
      286
    • 出版者
      CMC出版
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
  • [図書] カルコゲナイド系層状物質の最新研究、第三章「光電変換材料としての遷移金属カルコゲナイド」2016

    • 著者名/発表者名
      毛利真一郎, 松田一成
    • 総ページ数
      286
    • 出版者
      CMC出版
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書

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公開日: 2016-04-26   更新日: 2018-12-17  

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