アトミックレイヤーファンクショナリゼーションによるヤヌス原子層科学の開拓

• 研究領域: ２．５次元物質科学：社会変革に向けた物質科学のパラダイムシフト
• 研究課題/領域番号: 22H05441
• 研究種目: 学術変革領域研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 審査区分: 学術変革領域研究区分(Ⅱ)
• 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): 2022-06-16 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 6,760千円 (直接経費: 5,200千円、間接経費: 1,560千円); 2023年度: 3,380千円 (直接経費: 2,600千円、間接経費: 780千円); 2022年度: 3,380千円 (直接経費: 2,600千円、間接経費: 780千円)
• キーワード: TMD / ヤヌスTMD / その場観測 / GNR / 合成 / プラズマプロセス

研究開始時の研究の概要

本研究では、原子層物質である遷移金属ダイカルコゲナイド(TMD)の上面カルコゲン原子を異種類のカルコゲン原子に置換した“ヤヌスTMD”の創製を目指す。ヤヌスTMDは面外方向の空間反転対称性が破れることで、2次元面垂直方向に電場が自発的に形成される極めてユニークな特徴をもつ“2.5次元と呼べる原子層物質”であるが、高品質合成手法が確立されていない。そこで、本研究では精密エネルギー制御プラズマ機能化手法を基盤とした新たなヤヌス化プロセスを開発し、超高品質の様々なヤヌスTMDの創製を目指す。

研究実績の概要

研究二ヶ年計画の二年度目に当たる今年度は、当初計画に従い研究を行い以下の成果を得た。
第一に、前年度開発に成功した“その場観測原子層置換（ALF)装置”を活用して、ヤヌスTMDの表面反応性に関する研究に取り組んだ。その結果、その場観測により得られる蛍光（PL）スペクトルから(i)ヤヌス化直前の最表層セレンが脱離した状態のWSe2、(ii)ヤヌス化したWSeS、(iii)ヤヌス化後も過剰にプラズマ照射を行って欠陥を導入したWSeSの作り分けを可能とした。さらに、それらを形成して大気暴露せずに続けて、酸素、窒素、水素、二酸化炭素等様々なガスを暴露し、それに伴うPL強度の変化をその場観測により計測した。その結果、通常のWSe2、Se脱離のWSe2、ヤヌスWSeSに関しては、いずれのガスを暴露した場合においても、著しいPL強度の変化は生じなかったのに対し、欠陥を導入したヤヌスTMDの場合のみ、ガス暴露に対してPL強度の著しい変化が観測された。特に酸素ガスを暴露した場合に、蛍光PL強度が7倍も増大する現象を発見した。これはヤヌスTMD特有の面直電場に加え、欠陥構造が酸素吸着サイトとして複合的に作用しているものと考えている。
第二に、領域内共同研究を活発に進めヤヌスTMDの試料提供等を通じ合計20グループとの連携を行った。その中で、共同研究としてヤヌスTMD特有の歪効果を積極的に活用することで、ヤヌスTMDスクロールが形成されること、およびヤヌススクロールに特異な水素発生触媒作用が存在することを明らかとし、本成果は一流国際学術雑誌(ACS Nano)の掲載に至った。さらに、MoS2ナノチューブの最外面SをSeにヤヌス化することで、ヤヌスナノチューブ（MoSSe）の創成に世界で初めて成功し、こちらも一流国際学術雑誌（Adv.Mater.）への掲載に至った。
以上の通り、ヤヌスTMDの高品質合成を実現し、積極的な共同研究を推進することで、ヤヌス原子層科学に関する多くの重要な成果が得られた。

現在までの達成度 (段落)

令和5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

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

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
• [雑誌論文] Fabrication of near-invisible solar cell with monolayer WS2 (2022)
  • 著者名/発表者名: X. He，Y. Iwamoto，T. Kaneko，and T. Kato_
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 12 号: 1
  • DOI: 10.1038/s41598-022-15352-x
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Scalable fabrication of graphene nanoribbon quantum dot devices with stable orbital-level spacing (2022)
  • 著者名/発表者名: Kato Toshiaki、Kitada Takahito、Seo Mizuki、Okita Wakana、Sato Naofumi、Shinozaki Motoya、Abe Takaya、Kumasaka Takeshi、Aizawa Takumi、Muto Yui、Kaneko Toshiro、Otsuka Tomohiro
  • 雑誌名: Communications Materials 巻: 3 号: 1
  • DOI: 10.1038/s43246-022-00326-3
  • 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
• [学会発表] 50年後の社会におけるデバイスとプラズマプロセスの関係 (2023)
  • 著者名/発表者名: 加藤 俊顕
  • 学会等名: 日本学術振興会プラズマ材料科学第153 委員会第161 回研究
  • 招待講演
• [学会発表] In-situ monitoring synthesis and functionalization of transition metal dichalcogenide (2023)
  • 著者名/発表者名: Toshiaki Kato
  • 学会等名: The 11th International Workshop on 2D Materials
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 低温気相プロセスを用いた1?2次元材料の作製と量子ドットデバイス応用 (2023)
  • 著者名/発表者名: 加藤 俊顕
  • 学会等名: 令和４ 年度 東北大学電気通信研究所 共同プロジェクト研究会「革新的気相プロセスによるナノ材料創成と高機能デバイス応用」
  • 招待講演
• [学会発表] In-situ monitoring plasma atomic functionalization for synthesis of high quality Janus WSeS (2023)
  • 著者名/発表者名: 中條 博史，青木 颯馬，岩本 裕太，金子 俊郎，加藤 俊顕
  • 学会等名: 第64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] その場観測プラズマ原子置換法によるTMDヤヌス化反応における気相内活性種効果の解明 (2023)
  • 著者名/発表者名: 中條 博史，青木 颯馬，岩本 祐汰，金子 俊郎，加藤 俊顕
  • 学会等名: 第70回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] 2次元シート材料を用いた完全透明太陽電池の開発 (2022)
  • 著者名/発表者名: 加藤 俊顕
  • 学会等名: 令和4年度 東北大学-JST新技術説明会
  • 招待講演
• [学会発表] Barrier height control of graphene nanoribbon-based quantum dot devices (2022)
  • 著者名/発表者名: T. Kato ， T. Kaneko ， T. Kato
  • 学会等名: 2022年度電気関係学会東北支部連合大会
• [学会発表] Growth mechanism of transition metal dichalcogenides revealed by in-situ monitoring CVD (2022)
  • 著者名/発表者名: Toshiaki Kato
  • 学会等名: The 63rd Fullerenes-Nanotubes-Graphene General Symposium
  • 招待講演
• [学会発表] Correlation between growth speed and crystallinity of monolayer WS2 revealed by in-situ monitoring CVD (2022)
  • 著者名/発表者名: Y. Iwamoto ， T. Kaneko ， T. Kato
  • 学会等名: The 63rd Fullerenes-Nanotubes-Graphene General Symposium
• [学会発表] Elucidation of formation mechanism of high-quality Janus WSeS by mild plasma atomic substitution (2022)
  • 著者名/発表者名: H. Nakajo ， T. Kaneko ， T. Kato
  • 学会等名: The 63rd Fullerenes-Nanotubes-Graphene General Symposium
• [学会発表] プラズマCVDによるグラフェンナノリボン量子ドットデバイスの閉じ込め障壁制御 (2022)
  • 著者名/発表者名: 加藤 樹，金子 俊郎，加藤 俊顕
  • 学会等名: 第16回プラズマエレクトロニクスインキュベーションホール
• [学会発表] その場観測CVDによる単層WS2成長形態時間変化と構造欠陥導入機構の相関解明 (2022)
  • 著者名/発表者名: 岩本 祐汰，金子 俊郎，加藤 俊顕
  • 学会等名: 第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] グラフェンナノリボン量子ドット素子集積化における閉じ込め障壁制御 (2022)
  • 著者名/発表者名: 加藤 樹，金子 俊郎，加藤 俊顕
  • 学会等名: 第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [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 (2022)
  • 著者名/発表者名: 青木 颯馬，岩本 祐汰，何 杏，金子 俊郎，加藤 俊顕
  • 学会等名: 第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] Control of Schottky barrier height for efficient fabrication of graphene nanoribbon-based quantum dot devices (2022)
  • 著者名/発表者名: T. Kato ， T. Kaneko ， T. Kato
  • 学会等名: The 75th Gaseous Electronics Conference & 11th International Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Direct observation of monolayer WS2 nucleation physical factor by in-situ monitoring CVD (2022)
  • 著者名/発表者名: Y. Iwamoto ， X. Qiang ， X. He ， T. Kaneko ， and T. Kato
  • 学会等名: The 75th Gaseous Electronics Conference & 11th International Conference
  • 国際学会
• [学会発表] 最先端原子層材料のプラズマ合成と革新的応用開発 (2022)
  • 著者名/発表者名: 加藤 俊顕
  • 学会等名: KOKUSAI ELECTRIC プラズマ技術講演
  • 招待講演
• [学会発表] 原子層材料合成技術の基礎と応用～可視光の約80%を透過する完全透明太陽電池の開発動向～ (2022)
  • 著者名/発表者名: 加藤 俊顕
  • 学会等名: 情報機構オンラインセミナー
  • 招待講演
• [学会発表] 「材料データを使う」～機械学習を活用したカーボンナノチューブの構造制御合成～ (2022)
  • 著者名/発表者名: 加藤 俊顕
  • 学会等名: 第15回 東北大学 実践データ駆動科学オンラインセミナー
  • 招待講演
• [学会発表] 完全透明太陽電池が拓く新しいグリーン社会 (2022)
  • 著者名/発表者名: 加藤 俊顕
  • 学会等名: 第10回 東北大学 グリーン・ゴールズ・パートナー グリーン・シーズ研究会
  • 招待講演
• [学会発表] ２次元原子層シートを用いた高透明太陽電池の開発 (2022)
  • 著者名/発表者名: 加藤 俊顕
  • 学会等名: 技術情報協会講習会 『フレキシブル・透明太陽電池の開発動向とその高効率化』
  • 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
• [図書] ２次元シート材料を用いた 完全透明太陽電池の開発 (2023)
  • 著者名/発表者名: 加藤俊顕
  • 総ページ数: 56
  • 出版者: 日本工業出版株式会社
• [図書] 可視光の80％を通すほぼ透明な太陽電池の開発 (2022)
  • 著者名/発表者名: 加藤俊顕
  • 総ページ数: 79
  • 出版者: 日本工業出版株式会社