２.５次元集積構造の構築

2023 年度 実績報告書

• 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: 21H05234
• 研究機関: 東京都立大学
• 研究代表者: 宮田 耕充 東京都立大学, 理学研究科, 准教授 (80547555)
• 研究分担者: 町田 友樹 東京大学, 生産技術研究所, 教授 (00376633) ; 松本 里香 東京工芸大学, 工学部, 教授 (30338248) ; 荒井 俊人 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 高分子・バイオ材料研究センター, 独立研究者 (40750980)
• 研究期間 (年度): 2021-09-10 – 2026-03-31
• キーワード: ２.５次元物質 / 化学気相成長 / ファンデルワールス接合 / 自己組織化 / インターカレーション

研究実績の概要

[1] 化学気相成長(CVD)と機能開拓： Janus型の遷移金属ダイカルコゲナイド(TMDC)を利用した、モアレ超格子とナノスクロール構造の作製および評価を中心に進めた。特に、プラズマによる元素置換を利用してモアレ超格子を作製し、その構造解析や発光特性の解明を進めた。また、Janus構造を利用して内径の細いナノスクロールを実現し、その異方的な光学応答を明らかにした。
[2] ファンデルワールス集積構造の構築と物性創発：WSe2の伝導体サブバンド準位を利用した共鳴トンネル素子において、電子およびホールの共鳴トンネルを実現し、負性微分抵抗の観測に成功した。ツイスト二層WTe2で対称性制御によるバンド構造変化をlaser ARPESで観測した。複数層p-MoS2におけるミニギャップに起因する負性微分抵抗を観測した。
[3] 二次元ナノ空間を利用した新規2.5次元物質の創製：黒鉛および多層～2層グラフェンへのインターカレーションを実施し、共同研究者と分析を行い、グラフェン層間でのアルカリ金属の配置に関して新たな発見があった。また、ナトリウムのインターカレーションの可否についても明らかになりつつある。黒鉛類似化合物（GLG）では、黒鉛とは異なるインターカレーション挙動が認められた。
[4] 有機分子膜の配列制御と機能開拓：ボトムゲート・ボトムコンタクト型有機薄膜トランジスタの高移動度化に向けて、半導体／金属／誘電体の3成分界面をケルビンプローブフォース顕微鏡を用いて詳しく調べた。半導体層が薄い場合にチャネル材料によっては、ソース電極付近の接触抵抗が増大し、移動度が低下することを見出した。そこで、分子層厚みを制御した薄膜を用いたところ、移動度低下を大幅に抑制できることがわかった。

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

当初の予定通り、２.５次元集積構造の構築に関する研究は順調に進展している。特に、成膜や転写に関する技術開発が進展し、様々な構造を作製することが可能となった。また領域内の他の班との共同研究を通じ、作製した試料の電子輸送特性、角度分解光電子分光、励起子輸送、トンネル分光転写などの測定を通じて複数の成果を論文として発表した。以上より、計画はおおむね順調に進展しているといえる。

今後の研究の推進方策

[1] CVD成長と機能開拓： TMDCの成長と転写技術の開発を通じ、多彩な２.５次元集積構造を実現する。前年度に続きJanus単層TMDCのヘテロ二層やスクロール構造の高品質化・構造制御および光・電子物性の解明を中心に行う。特に、モアレ構造、曲率、内蔵電場などの自由度を利用した２.５次元集積構造の機能化を進めていく。
[2] ファンデルワールス集積構造の構築と物性創発： ファンデルワールス積層による複合原子層構造作製技術を発展させて、量子輸送現象を中心とした物性を解明する。今年度は、TMDC/h-BN/TMDCファンデルワールス接合において共鳴トンネル効果に起因する不性微分抵抗の観測を行い、ピークバレー比が最大となる条件最適化を行う。ツイスト積層TMDCの伝導帯Γ点のエネルギーを共鳴トンネル効果で実験的に決定する。
[3] 二次元ナノ空間を利用した新規2.5次元物質の創製：グラフェン、h-BNなどの2次元物質へのインターカレーションを行い、新規な2.5次元物質の創製を目指す。特に、バルク黒鉛では実現しないNaやMgのインターカレーションに注目する。さらに、結晶構造の異なる黒鉛系炭素材料をホストに用いた層間化合物の層間物質の相転移を観測することにより、結晶構造と層間物質の状態の関係性を明らかにする。調べ、結晶構造と層間物質の状態の関係性を明らかにする。
[4] 有機分子膜の配列制御と機能開拓：原子層・ナノチューブなどの半導体材料と複合化するための絶縁材料の開発を中心に進める。昨年度までの研究から、ある種の高分子を絶縁層として用いた有機トランジスタにおいて、SS値が100ミリボルト/桁以下の急峻なスイッチング特性を実現している。本年度は、これを他の2.5次元系に応用できるよう、プロセス耐性を強化した材料の開発に繋げる。

備考

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研究成果

• [雑誌論文] Advanced self-assembly control of rod-shaped organic semiconductors (2024)
  • 著者名/発表者名: Arai Shunto
  • 雑誌名: Proc. SPIE 12907, Emerging Liquid Crystal Technologies XIX 巻: - ページ: 1290705
  • DOI: 10.1117/12.3001198
  • 査読あり
• [雑誌論文] Stability of ternary interfaces and its effects on ideal switching characteristics in inverted coplanar organic transistors (2024)
  • 著者名/発表者名: Murata Keito、Kitahara Gyo、Inoue Satoru、Higashino Toshiki、Matsuoka Satoshi、Arai Shunto、Kumai Reiji、Hasegawa Tatsuo
  • 雑誌名: Physical Review Applied 巻: 21 ページ: 024005
  • DOI: 10.1103/physrevapplied.21.024005
  • 査読あり
• [雑誌論文] Alkali metal bilayer intercalation in graphene (2024)
  • 著者名/発表者名: Lin Yung-Chang、Matsumoto Rika、Liu Qiunan、Solis-Fernandez Pablo、Siao Ming-Deng、Chiu Po-Wen、Ago Hiroki、Suenaga Kazu
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 15 ページ: 425
  • DOI: 10.1038/s41467-023-44602-3
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Single-Gate MoS2 Tunnel FET with a Thickness-Modulated Homojunction (2024)
  • 著者名/発表者名: Fukui Tomohiro、Nishimura Tomonori、Miyata Yasumitsu、Ueno Keiji、Taniguchi Takashi、Watanabe Kenji、Nagashio Kosuke
  • 雑誌名: ACS Applied Materials & Interfaces 巻: 16 ページ: 8993～9001
  • DOI: 10.1021/acsami.3c15535
  • 査読あり
• [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 ページ: 2300514
  • DOI: 10.1002/sstr.202300514
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Nanoscrolls of Janus Monolayer Transition Metal Dichalcogenides (2024)
  • 著者名/発表者名: Kaneda Masahiko、Zhang Wenjin、Liu Zheng、Gao Yanlin、Maruyama Mina、Nakanishi Yusuke、Nakajo Hiroshi、Aoki Soma、Honda Kota、Ogawa Tomoya、Hashimoto Kazuki、Endo Takahiko、Aso Kohei、Chen Tongmin、Oshima Yoshifumi、Yamada-Takamura Yukiko、Takahashi Yasufumi、Okada Susumu、Kato Toshiaki、Miyata Yasumitsu
  • 雑誌名: ACS Nano 巻: 18 ページ: 2772～2781
  • DOI: 10.1021/acsnano.3c05681
  • 査読あり
• [雑誌論文] Emergence of electrochemical catalytic activity via an electrochemical-probe on defective transition metal dichalcogenide nanosheets (2024)
  • 著者名/発表者名: Kumatani A.、Ogawa H.、Endo T.、Lustikova J.、Ida H.、Takahashi Y.、Miyata Y.、Ikuhara Y.、Shiku H.、Wakayama Y.
  • 雑誌名: APL Energy 巻: 2 ページ: 016107
  • DOI: 10.1063/5.0175653
  • 査読あり
• [雑誌論文] Spatiotemporal observation of quantum crystallization of electrons (2023)
  • 著者名/発表者名: Murase Hideaki、Arai Shunto、Hasegawa Tatsuo、Miyagawa Kazuya、Kanoda Kazushi
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 14 ページ: 6011
  • DOI: 10.1038/s41467-023-41731-7
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Polarity-dependent twist-controlled resonant tunneling device based on few-layer WSe2 (2023)
  • 著者名/発表者名: Kinoshita Kei、Moriya Rai、Okazaki Shota、Zhang Yijin、Masubuchi Satoru、Watanabe Kenji、Taniguchi Takashi、Sasagawa Takao、Machida Tomoki
  • 雑誌名: Physical Review Research 巻: 5 ページ: 043292
  • DOI: 10.1103/PhysRevResearch.5.043292
  • 査読あり
• [雑誌論文] Symmetry Engineering in Twisted Bilayer WTe2 (2023)
  • 著者名/発表者名: Zhang Yijin、Kamiya Keisuke、Yamamoto Takato、Sakano Masato、Yang Xiaohan、Masubuchi Satoru、Okazaki Shota、Shinokita Keisuke、Chen Tongmin、Aso Kohei、Yamada-Takamura Yukiko、Oshima Yoshifumi、Watanabe Kenji、Taniguchi Takashi、Matsuda Kazunari、Sasagawa Takao、Ishizaka Kyoko、Machida Tomoki
  • 雑誌名: Nano Letters 巻: 23 ページ: 9280～9286
  • DOI: 10.1021/acs.nanolett.3c02327
  • 査読あり
• [雑誌論文] Self-Limiting Growth of Monolayer Tungsten Disulfide Nanoribbons on Tungsten Oxide Nanowires (2023)
  • 著者名/発表者名: Suzuki Hiroo、Kishibuchi Misaki、Misawa Masaaki、Shimogami Kazuma、Ochiai Soya、Kokura Takahiro、Liu Yijun、Hashimoto Ryoki、Liu Zheng、Tsuruta Kenji、Miyata Yasumitsu、Hayashi Yasuhiko
  • 雑誌名: ACS Nano 巻: 17 ページ: 9455～9467
  • DOI: 10.1021/acsnano.3c01608
  • 査読あり
• [雑誌論文] Exciton energy transfer under low temperature in a lateral heteromonolayer of WSe2-MoSe2 (2023)
  • 著者名/発表者名: Shimasaki Masafumi、Endo Takahiko、Watanabe Kenji、Taniguchi Takashi、Matsuda Kazunari、Nishihara Taishi、Miyata Yasumitsu、Miyauchi Yuhei
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 62 ページ: 112002～112002
  • DOI: 10.35848/1347-4065/ad03ce
  • 査読あり
• [雑誌論文] 1次元遷移金属カルコゲナイド細線の気相成長 (2023)
  • 著者名/発表者名: 中西 勇介、リム ホンエン、宮田 耕充
  • 雑誌名: 応用物理 巻: 92 ページ: 292～296
  • DOI: 10.11470/oubutsu.92.5_292
  • 査読あり
• [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: Nakanishi Yusuke、Furusawa Shinpei、Sato Yuta、Tanaka Takumi、Yomogida Yohei、Yanagi Kazuhiro、Zhang Wenjin、Nakajo Hiroshi、Aoki Soma、Kato Toshiaki、Suenaga Kazu、Miyata Yasumitsu
  • 雑誌名: Advanced Materials 巻: 35 ページ: 2306631
  • DOI: 10.1002/adma.202306631
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Characterization of band alignment at a metal-MoS2 interface by Kelvin probe force microscopy (2023)
  • 著者名/発表者名: Okada Mitsuhiro、Okigawa Yuki、Fujii Takeshi、Endo Takahiko、Chang Wen Hsin、Okada Naoya、Irisawa Toshifumi、Miyata Yasumitsu、Shimizu Tetsuo、Kubo Toshitaka、Yamada Takatoshi
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 63 ページ: 01SP15～01SP15
  • DOI: 10.35848/1347-4065/acfa07
  • 査読あり
• [雑誌論文] Effect of incoherent electron-hole pairs on high harmonic generation in an atomically thin semiconductor (2023)
  • 著者名/発表者名: Nagai Kohei、Uchida Kento、Kusaba Satoshi、Endo Takahiko、Miyata Yasumitsu、Tanaka Koichiro
  • 雑誌名: Physical Review Research 巻: 5 ページ: 043130
  • DOI: 10.1103/PhysRevResearch.5.043130
  • 査読あり
• [雑誌論文] Semiconducting Transition Metal Dichalcogenide Heteronanotubes with Controlled Outer-Wall Structures (2023)
  • 著者名/発表者名: Yomogida Yohei、Nagano Mai、Liu Zheng、Ueji Kan、Rahman Md. Ashiqur、Ahad Abdul、Ihara Akane、Nishidome Hiroyuki、Yagi Takashi、Nakanishi Yusuke、Miyata Yasumitsu、Yanagi Kazuhiro
  • 雑誌名: Nano Letters 巻: 23 ページ: 10103～10109
  • DOI: 10.1021/acs.nanolett.3c01761
  • 査読あり
• [雑誌論文] Synthesis and optical properties of WS2 nanotubes with relatively small diameters (2023)
  • 著者名/発表者名: Rahman Md. Ashiqur、Yomogida Yohei、Ahad Abdul、Ueji Kan、Nagano Mai、Ihara Akane、Nishidome Hiroyuki、Omoto Mikito、Saito Shigeki、Miyata Yasumitsu、Gao Yanlin、Okada Susumu、Yanagi Kazuhiro
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 13 ページ: 16959
  • DOI: 10.1038/s41598-023-44072-z
• [雑誌論文] Electrochemical imaging correlated to hydrogen evolution reaction on transition metal dichalcogenide, WS2 (2023)
  • 著者名/発表者名: Kumatani Akichika、Ogawa Hiroto、Endo Takahiko、Kobayashi Yu、Lustikova Jana、Ida Hiroki、Takahashi Yasufumi、Matsue Tomokazu、Miyata Yasumitsu、Shiku Hitoshi
  • 雑誌名: Journal of Vacuum Science & Technology B 巻: 41 ページ: 052401
  • DOI: 10.1116/6.0002706
  • 査読あり
• [学会発表] Growth and Characterization of 1D Transition Metal Chalcogenides (2024)
  • 著者名/発表者名: Y. Miyata
  • 学会等名: International Winterschool on Electronic Properties of Novel Materials 2024
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 有機トランジスタの高効率キャリア輸送に向けた分子配列制御 (2024)
  • 著者名/発表者名: 荒井 俊人
  • 学会等名: ISSPワークショップ 「デバイス活用で臨む有機伝導体の未来」
  • 招待講演
• [学会発表] Advanced self-assembly control of rod-shaped organic semiconductors (2024)
  • 著者名/発表者名: S. Arai
  • 学会等名: SPIE. Photonics West.
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Low-dimensional nanostructures of Janus transition metal dichalcogenides (2023)
  • 著者名/発表者名: Y. Miyata
  • 学会等名: 13th A3 Symposium on Emerging Materials
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 1D nanostructures based on transition metal chalcogenides (2023)
  • 著者名/発表者名: Y. Miyata
  • 学会等名: 2D TMDs2023
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 1D Transition Metal Chalcogenides: Growth, Structures, and Properties (2023)
  • 著者名/発表者名: Y. Miyata
  • 学会等名: NT23
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 1D nanostructures based on transition metal chalcogenides (2023)
  • 著者名/発表者名: Y. Miyata
  • 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] 層状有機半導体の集合構造制御と高効率キャリア輸送 (2023)
  • 著者名/発表者名: 荒井 俊人
  • 学会等名: 超分子研究会 π共役系有機分子の合成・集合構造と機能 （23-1超分子研究会）
  • 招待講演
• [学会発表] Investigating intercalated graphite, multi-layer graphene, and bi-layer graphene synthesized via the vapor phase method (2023)
  • 著者名/発表者名: R. Matsumoto
  • 学会等名: 第65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 (FNTG65)
  • 招待講演
• [備考] 東京都立大学ナノ物性研究室
  • URL: https://nanotube.fpark.tmu.ac.jp/index.html
• [備考] 東京大学生産技術研究所 町田研究室
  • URL: http://qhe.iis.u-tokyo.ac.jp/
• [備考] 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
  • URL: https://25d-materials.jp/
• [備考] 東京工芸大学 松本里香研究室
  • URL: https://www.gen.t-kougei.ac.jp/chem/mrika/
• [備考] NIMS研究者総覧「SAMURAI」
  • URL: https://samurai.nims.go.jp/profiles/arai_shunto?locale=ja