複合原子層の界面特性理解と原子層デバイスへの応用

2013 年度 実績報告書

• 研究領域: 原子層科学
• 研究課題/領域番号: 25107004
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 長汐 晃輔 東京大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (20373441)
• 研究分担者: 長谷川 雅考 独立行政法人産業技術総合研究所, ナノ材料研究部門, グループ長 (20357776) ; 上野 啓司 埼玉大学, 理工学研究科, 准教授 (40223482) ; 塚越 一仁 独立行政法人物質・材料研究機構, 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点(MANA), 主任研究者 (50322665)
• 研究期間 (年度): 2013-06-28 – 2018-03-31
• キーワード: 原子層 / 複層化 / トランスポート / 結晶成長

研究実績の概要

原子層膜の複層化技術を確立，結晶性の良い原子層の育成，原子層と金属電極，絶縁膜等との相互作用の理解，そして最終的に，デバイス応用を目指すという流れで研究を進めている．本年度の実績として，(i)原子層の複層化技術及び(ii)結晶成長の結果を主に述べる．
(i)複層化デバイスの特性向上には、清浄界面形成が必須であり、複層化に用いるポリマー材料を溶融しない乾式プロセスの確立が重要である。2次元材料・基板材料は無機系であり、貼り合わせに使用する透明ポリマーは有機系であり、熱膨張率は2桁近く異なる。この特徴を利用し、高温に加熱し密着性を向上させた後、0度付近にまで冷却剥離することで、ポリマーを溶かすことなく乾式転写が可能であることを見出した．
(ii)遷移金属ダイカルコゲナイド（TMDC）のバルク単結晶を化学蒸気輸送法（CVT）により作製し、ホール効果測定、ラマン分光測定などを行うと共に、機械的剥離法によって単層～数層の薄片をSi/熱酸化SiO2ゲート基板上に転写し、FETの形成と動作特性測定を試みた。特筆すべき結果は、既報の遷移金属ダイカルコゲナイドでは、通常n型もしくはp型動作のみを示すことが多いが、合成時のハロゲンの制御によりWSe2においてn型及びp型動作を制御することに成功した。また、領域内共同研究により、両極動作するMoTe2のFETを2個組み合わせたCMOS論理回路素子の形成にも成功している。

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

複層化技術，結晶成長，複層化界面物性の理解と順調に理解が進んでいる．現在の結果を基にさらに展開していきたい．

今後の研究の推進方策

原子層科学の応用班では，応用展開の方向性は個々の研究者で異なるが，原子層と様々の物質との複層化した際の界面に関しては，全ての応用展開に必要であることから，共通の問題意識をもち相互に議論が活発に行えている．この議論をもとに，さらに異なる観点での共同研究として発展させたい．

研究成果

• [雑誌論文] Carrier response in band gap and multiband transport in bilayer graphene under the ultra-high displacement (2013)
  • 著者名/発表者名: K. Nagashio, K. Kanayama, T. Nishimura and A. Toriumi
  • 雑誌名: IEDM Tech. Dig. 巻: NA ページ: 503
  • DOI: 10.1109/IEDM.2013.6724661
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] .-Y. Chan, K. Komatsu, S.-L. Li, Y. Xu, P. Darmawan, H. Koramochi, S. Nakaharai, K. Watanabe, T. Taniguchi, and K. Tsukagoshi (2013)
  • 著者名/発表者名: Suppression of thermally activated carrier transport in atomically thin MoS2 on crystalline hexagonal Boron Nitride substrates
  • 雑誌名: Nanoscale 巻: 5 ページ: 9572-9576
  • DOI: 10.1039/C3NR03220E
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Realization of graphene field-effect transistor with high-κ HCa2Nb3O10 nanoflake as top-gate dielectric (2013)
  • 著者名/発表者名: W.-W. Li, S.-L. Li, K. Komatsu, A. A. Ferreira, Y.-F. Lin, Y. Xu, M. Osada, T. Sasaki, and K. Tsukagoshi
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 103 ページ: 023113-1-5
  • DOI: 10.1063/1.4813537
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Improved photovoltaic performance of crystalline-Si/organic Schottky junction solar cells using ferroelectric polymers (2013)
  • 著者名/発表者名: Q. Liu, I. Khatri, R. Ishikawa, A. Fujimori, K. Ueno, K. Manabe, H. Nishino and H. Shirai
  • 雑誌名: App. Phys. Lett. 巻: 103 ページ: 163503
  • DOI: 10.1063/1.4826323
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] High-performance top-gated monolayer SnS2 field-effect transistors and their integrated logic circuits (2013)
  • 著者名/発表者名: H. S. Song, S. L. Li, L. Gao, Y. Xu, K. Ueno, J. Tang, Y. B. Cheng, and K. Tsukagoshi
  • 雑誌名: Nanoscale 巻: 5 ページ: 9666
  • DOI: 10.1039/C3NR01899G
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] The density of states of graphene underneath a metal electrode and its correlation with the contact resistivity (2013)
  • 著者名/発表者名: R.Ifuku, K. Nagashio, T. Nishimura, and A. Toriumi
  • 雑誌名: Appl. Phys. Lett. 巻: 103 ページ: 033514
  • DOI: 10.1063/1.4815990
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Estimation of residual carrier density near the Dirac point in graphene through quantum capacitance measurement (2013)
  • 著者名/発表者名: K. Nagashio, T. Nishimura, and A. Toriumi
  • 雑誌名: Appl. Phys. Lett. 巻: 102 ページ: 173507
  • DOI: 10.1063/1.4804430
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Carrier density modulation in graphene underneath the Ni electrode (2013)
  • 著者名/発表者名: T. Moriyama, K. Nagashio, T. Nishimura, and A. Toriumi
  • 雑誌名: J. Appl. Phys. 巻: 114 ページ: 024503
  • DOI: 10.1063/1.4813216
  • 査読あり
• [雑誌論文] Effects of molybdenum oxide molecular doping on the chemical structure of poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(stylenesulfonate) and on carrier collection efficiency of silicon/poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(stylenesulfonate) heterojunction solar cells (2013)
  • 著者名/発表者名: Q. Liu, I. Khatri, R. Ishikawa, K. Ueno, and H. Shirai
  • 雑誌名: Appl. Phys. Lett. 巻: 102 ページ: 183503
  • DOI: 10.1063/1.4804298
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Green-tea modified multiwalled carbon nanotubes for efficient poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(stylenesulfonate)/n-silicon hybrid solar cell (2013)
  • 著者名/発表者名: I. Khatri, Z. Tang, Q. Liu, R. Ishikawa, K. Ueno, and H. Shirai
  • 雑誌名: Appl. Phys. Lett. 巻: 102 ページ: 063508
  • DOI: 10.1063/1.4792691
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Graphene growth and carbon diffusion process into Cu(111)/Al2O3 substrates during the vacuum heating (2013)
  • 著者名/発表者名: S. Ogawa, T. Yamada, S. Ishizuka, A. Yoshigoe, M. Hasegawa, Y. Teraoka and Y. Takakuwa
  • 雑誌名: Jpn. J. Appl. Phys. 巻: 52 ページ: 110122
  • DOI: 10.7567/JJAP.52.110122
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Nanocrystalline and microcrystalline diamond stacking structure as an insulating material deposited on large area (2013)
  • 著者名/発表者名: T. Yamada, M. Hasegawa
  • 雑誌名: Phys. Status Solidi A 巻: 210 ページ: 1998
  • DOI: 10.1002/pssa.201300027
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Low Temperature Graphene Synthesis from Poly(methyl methacrylate) Using Microwave Plasma Treatment (2013)
  • 著者名/発表者名: T. Yamada, M. Ishihara, M. Hasegawa
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 6 ページ: 115102
  • DOI: 10.7567/APEX.6.115102
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Electrical characterization of graphene films synthesized by low-temperature microwave plasma chemical vapor deposition (2013)
  • 著者名/発表者名: Y. Okigawa, K. Tsugawa, T. Yamada, M. Ishihara, M. Hasegawa
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 103 ページ: 153106
  • DOI: 10.1063/1.4825103
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Electrical Spin Injection into Graphene through Monolayer Hexagonal Boron Nitride (2013)
  • 著者名/発表者名: T. Yamaguchi, Y. Inoue, S. Masubuchi, S. Morikawa, M. Onuki, K. Watanabe, T. Taniguchi, R. Moriya, and T. Machida
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 6 ページ: 073001/1-4
  • DOI: 10.7567/APEX.6.073001
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Fabrication and Characterization of High-Mobility Graphene p-n-p Junctions Encapsulated by Hexagonal Boron Nitride (2013)
  • 著者名/発表者名: S. Masubuchi, S. Morikawa, M. Onuki, K. Iguchi, K. Watanabe, T. Taniguchi, and T. Machida
  • 雑誌名: Jpn. J. Appl. Phys 巻: 52 ページ: 110105/1-5
  • DOI: 10.7567/JJAP.52.110105
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Hofstadter’s butterfly and the fractal quantum Hall effect in moire superlattices (2013)
  • 著者名/発表者名: C. R. Dean, L. Wang, P. Maher, C. Forsythe, F. Ghahari, Y. Gao, J. Katoch, M. Ishigami, P. Moon, M. Koshino, T. Taniguchi, K. Watanabe, K. L. Shepard, J. Hone, and P. Kim,
  • 雑誌名: Nature 巻: 497 ページ: 598–602
  • DOI: 10.1038/nature12186
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Photovoltaic infrared photoresponse of the high-mobility graphene quantum Hall system due to cyclotron resonance (2013)
  • 著者名/発表者名: S. Masubuchi, M. Onuki, M. Arai, T. Yamaguchi, K. Watanabe, T. Taniguchi, and T. Machida
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 88 ページ: 121402/1-5
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.88.121402
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Structural and charge transport characteristics of graphene layers obtained from CVD thin film and bulk graphite materials (2013)
  • 著者名/発表者名: A.V.Tyurnina, K.Tsukagoshi, H.Hiura, A.N.Obraztsov
  • 雑誌名: Carbon 巻: 52 ページ: 49-55
  • DOI: 10.1016/j.carbon.2012.09.003
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [学会発表] High-quality Graphene Synthesis for Transparent Conductive Film Applications by Plasma Technique (2014)
  • 著者名/発表者名: M. Hasegawa, M. Ishihara, T. Yamada, Y. Okigawa, R. Kato, N. Shimada
  • 学会等名: Workshop of Graphene Technology and Its Applications
  • 発表場所: Hsinchu, Taiwan
  • 年月日: 2014-03-27
  • 招待講演
• [学会発表] High Quality Graphene Synthesis by Plasma Technique and Applications for Transparent Conductive Films (2014)
  • 著者名/発表者名: 長谷川 雅考、加藤 隆一、沖川 侑揮、石原 正統、山田 貴壽
  • 学会等名: 第61回応用物理学会春季学術講演会(Flexible Electronics)
  • 発表場所: 青山学院大学相模原キャンパス, 神奈川県
  • 年月日: 2014-03-18
  • 招待講演
• [学会発表] High-quality Graphene Synthesis by Plasma Treatment of Copper Foil Using Extremely Low-Concentration of Carbon Source (2014)
  • 著者名/発表者名: M. Hasegawa, K. Tsugawa, R. Kato, Y. Okigawa, M. Ishihara, T. Yamada
  • 学会等名: 8th International Conference on Reactive Plasmas/31st Symposium on Plasma Processing
  • 発表場所: Fukuoka Convention Center, Fukuoka, Japan
  • 年月日: 2014-02-04
  • 招待講演
• [学会発表] Scattering property in two-dimensional semiconductive atomic-scale films (2013)
  • 著者名/発表者名: Kazuhito Tsukagoshi, Song-Lin Li, Mei Yin Chan, Yen-Fu Lin, Wenwu Li
  • 学会等名: 2D Materials and Devices Beyond Graphene
  • 発表場所: NUS, Singapore
  • 年月日: 2013-12-16 – 2013-12-18
  • 招待講演
• [学会発表] Atomically thin semiconducting channels for future nano-electronics (2013)
  • 著者名/発表者名: Kazuhito Tsukagoshi
  • 学会等名: International Workshop on Interface Science for Novel Physical Properties and Electronics
  • 発表場所: Okayama University, Okayama
  • 年月日: 2013-12-09 – 2013-12-11
  • 招待講演
• [学会発表] Atomically thin semiconducting channels for future nano-electronics (2013)
  • 著者名/発表者名: Kazuhito Tsukagoshi, Song-Lin Li, Mei Yin Chan, Yen-Fu Lin, Wenwu Li, Shu Nakaharai
  • 学会等名: Energy Material Nanotechnology
  • 発表場所: Orlando,FLUSA
  • 年月日: 2013-12-07 – 2013-12-10
  • 招待講演
• [学会発表] 原子膜半導体の伝導と散乱 (2013)
  • 著者名/発表者名: 塚越一仁
  • 学会等名: 応用物理学会シリコンテクノロジー分科会シリコンナノテクノロジー研究委員会 『グラフェンナノデバイスの新しい展開』
  • 発表場所: つくば 産業技術総合研究所,茨城県
  • 年月日: 2013-11-11
  • 招待講演
• [学会発表] Semiconducting property in atomically thin films for future nano-electronics (2013)
  • 著者名/発表者名: Kazuhito Tsukagoshi
  • 学会等名: The 2013 International Workshop on“Dielectric Thin Films for Future Electron Devices-Science and Technology-
  • 発表場所: Tokyo Campus of University Tsukuba, Tokyo
  • 年月日: 2013-11-07 – 2013-11-09
  • 招待講演
• [学会発表] High-Quality Graphene Synthesis by Plasma Technique (2013)
  • 著者名/発表者名: M. Hasegawa, T. Yamada, M. Ishihara, Y. Okigawa, R. Kato, K. Tsugawa, N. Shimada, M. Horibe, M. Murakami, A. Tatami, M. Tachibana, S. Take, K. Miyazono
  • 学会等名: 2013 International Graphene Conference
  • 発表場所: Hsinchu, Taiwan
  • 年月日: 2013-11-05
  • 招待講演
• [学会発表] 数々のすぐれた機能を持つグラフェンはどう作られ（量産は？）、そしてその用途は (2013)
  • 著者名/発表者名: 長谷川 雅考
  • 学会等名: シーズとニーズ・2013年度特別例会「第1８回ＷＯＲＫＳＨＯＰ 成膜」
  • 発表場所: 産業技術総合研究所･臨海副都心センター, 東京
  • 年月日: 2013-09-26
  • 招待講演
• [学会発表] Atomically thin semiconducting channels for future nano-electronics (2013)
  • 著者名/発表者名: Kazuhito Tsukagoshi
  • 学会等名: Graphene Brazil 2013
  • 発表場所: Buzios, Rio de Janeiro, Brazil
  • 年月日: 2013-09-22 – 2013-09-25
  • 招待講演
• [学会発表] Atomically thin semiconducting channels for future nano-electronics (2013)
  • 著者名/発表者名: Kazuhito Tsukagoshi
  • 学会等名: Crystal & Graphene Science Symposium-2013 on 'Crystal Engineering to Graphenes, Fullerenes, Carbon Nanotubes & Semiconductors'
  • 発表場所: Boston, USA
  • 年月日: 2013-09-04 – 2013-09-05
  • 招待講演
• [学会発表] Roll-to-roll deposition of graphene by microwave plasmas CVD at low temperature for touch panel applications (2013)
  • 著者名/発表者名: T. Yamada, M. Ishihara, N. Shimada, K. Uekusa, R. Kato, M. Hasegawa
  • 学会等名: IMID2013
  • 発表場所: Daegu, Korea
  • 年月日: 2013-08-29
  • 招待講演
• [学会発表] Low Temperature and Roll-to-Roll Synthesis of Graphene by Plasma CVD for Transparent Conductive Film Applications (2013)
  • 著者名/発表者名: M. Hasegawa, T. Yamada, M. Ishihara, Y. Okigawa, R. Kato, K. Tsugawa
  • 学会等名: 15th Asian Chemical Congress 2013
  • 発表場所: Resorts World Sentosa, Singapore
  • 年月日: 2013-08-20
  • 招待講演
• [学会発表] Low Temperature Graphene Synthesis by Plasma Chemical Vapor Deposition toward Roll-to-Roll Production (2013)
  • 著者名/発表者名: Masataka Hasegawa
  • 学会等名: KANEKA/SKKU Incubation Center International Symposium 2013,
  • 発表場所: Suwon, Korea
  • 年月日: 2013-07-21
  • 招待講演
• [学会発表] Atomically thin semiconducting channels for future nano-electronics (2013)
  • 著者名/発表者名: Kazuhito Tsukagoshi
  • 学会等名: NanoKOREA 2013
  • 発表場所: COEX, Seoul, Korea
  • 年月日: 2013-07-10 – 2013-07-12
  • 招待講演
• [学会発表] Device Application of Graphene and Similar Layered Materials Thin Films (2013)
  • 著者名/発表者名: Keiji Ueno
  • 学会等名: NIMS Conference 2013
  • 発表場所: Nims, Ｉｂａｒａｋｉ
  • 年月日: 2013-07-01 – 2013-07-03
  • 招待講演
• [学会発表] Atomically thin semiconducting channels for future nano-electronics(Plenary Lectures) (2013)
  • 著者名/発表者名: Kazuhito Tsukagoshi
  • 学会等名: 013 NIMS conference“Structure control of atomic/molecule thin film and their application”
  • 発表場所: Nims, Tsukuba
  • 年月日: 2013-07-01 – 2013-07-03
  • 招待講演
• [備考] 東大 長汐研究室
  • URL: http://webpark1753.sakura.ne.jp/nagashio_lab/
• [備考] 埼玉大 上野研究室
  • URL: http://surface-www.chem.saitama-u.ac.jp/wiki/
• [備考] ＮＩＭＳ 塚越研究室
  • URL: http://www.nims.go.jp/pi-ele_g/
• [備考] ＮＩＭＳ 渡邊研究室
  • URL: http://samurai.nims.go.jp/WATANABE_Kenji_AML-j.html
• [備考] ＡＩＳＴ 長谷川研究室
  • URL: https://unit.aist.go.jp/ntrc/ci/recruit/nct/2_002_hasegawa01.html