3次元グラフェンが生み出す特異物性の解明と開拓

2017 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 15H05473
• 研究機関: 筑波大学
• 研究代表者: 伊藤 良一 筑波大学, 数理物質系, 准教授 (90700170)
• 研究期間 (年度): 2015-04-01 – 2018-03-31
• キーワード: グラフェン / 多孔質 / ディラック電子 / ３次元デバイス / 化学ドープ / トランジスタ / テラヘルツ / 触媒

研究実績の概要

グラフェンはよく電気を通す２次元シート材料として様々な分野で研究が盛んに行われている。本研究では、この２次元グラフェンシートに３次元構造を持たせて様々な３次元デバイスを通して３次元構造を持つグラフェンシートの基礎的な物性の理解を目的とした。最終年度では、３次元グラフェンデバイスの開発およびそれらの基礎物性の解釈および得られた物性に基づいた機能性材料の開発およびその性能を調査した。具体的には、曲率半径が２５～５０ナノメートル、１００～３００ナノメートル、５００～１０００ナノメートルを有する多孔質グラフェンの物性測定を行い、それらの基礎的な物性を明らかにすると共にその基礎物性を活用できるようなデバイス作製を目指し、以下の研究を遂行した。
（１）ランダムな多孔質構造を運動する磁場中の電子は円柱を運動する準古典モデルで記述することによりその電子易動度の運動モデルを近似的に記述することに成功した。これにより多孔質構造を持つ物質の電子易動度の算出が可能となった。
（２）イタリアのローマ・ラ・サピエンツァ大学との国際共同研究を行い、テラヘルツ光を用いたグラフェン表面に誘起されるプラズモン現象の解明、および、幾何学形状と化学ドープの関係性などをラマン分光法や光電子分光法による電子状態密度解析などを行うことで基礎的な物性についての理解を深めた。
（３）これらの明らかにされた物性に基づいて３次元グラフェンを用いた機能性材料の開発を行い、例えばグラフェンの高い電気伝導性や化学安定性を使った電極触媒の開発にも成功した。
本研究の過程で３次元グラフェンは基礎物性が優れていることから様々なデバイスに応用できることがわかった。今後は更なるデバイス開発を進める予定である。

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。

研究成果

• [国際共同研究] 上海交通大学(中国)
  • 国名: 中国
  • 外国機関名: 上海交通大学
• [国際共同研究] ローマ・ラ・サピエンツァ大学(イタリア)
  • 国名: イタリア
  • 外国機関名: ローマ・ラ・サピエンツァ大学
• [国際共同研究] クイーンズランド工科大学(オーストラリア)
  • 国名: オーストラリア
  • 外国機関名: クイーンズランド工科大学
• [国際共同研究] マックスプランク研究所(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: マックスプランク研究所
• [国際共同研究] 国立台湾大学(台湾)
  • 国名: その他の国・地域
  • 外国機関名: 国立台湾大学
• [国際共同研究]
  • 他の国数: 2
• [雑誌論文] Cooperation between holey graphene and NiMo alloy for hydrogen evolution in acidic electrolyte (2018)
  • 著者名/発表者名: Yoshikazu Ito,Tatsuhiko Ohta, Daisuke Hojo, Mitsuru Wakisaka, Yuki Nagata, Linghan Chen, Kailong Hu, Masahiko Izumi, Jun-ichi Fujita, Tadafumi Adschiri
  • 雑誌名: ACS Catalysis 巻: 8 ページ: 3579-3586
  • DOI: 10.1021/acscatal.7b04091
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Topology and doping effects in three-dimensional nanoporous graphene (2018)
  • 著者名/発表者名: Di Bernardo Iolanda、Avvisati Giulia、Chen Chaoyu、Avila Jose、Asensio Maria Carmen、Hu Kailong、Ito Yoshikazu、Hines Peter、Lipton-Duffin Josh、Rintoul Llew、Motta Nunzio、Mariani Carlo、Betti Maria Grazia
  • 雑誌名: Carbon 巻: 131 ページ: 258～265
  • DOI: 10.1016/j.carbon.2018.01.076
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Improved graphene applications made possible by 3D graphene structures (2018)
  • 著者名/発表者名: Ito Yoshikazu
  • 雑誌名: 炭素 巻: 2018 ページ: 8～15
  • DOI: 10.7209/tanso.2018.8
  • 査読あり
• [雑誌論文] Bottom-up Synthesis of Porous NiMo Alloy for Hydrogen Evolution Reaction (2018)
  • 著者名/発表者名: Hu Kailong、Jeong Samuel、Wakisaka Mitsuru、Fujita Jun-ichi、Ito Yoshikazu
  • 雑誌名: Metals 巻: 8 ページ: 83～83
  • DOI: 10.3390/met8020083
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Three-dimensional porous graphene networks expand graphene-based electronic device applications (2018)
  • 著者名/発表者名: Ito Yoshikazu、Tanabe Yoichi、Sugawara Katsuaki、Koshino Mikito、Takahashi Takashi、Tanigaki Katsumi、Aoki Hideo、Chen Mingwei
  • 雑誌名: Physical Chemistry Chemical Physics 巻: 20 ページ: 6024～6033
  • DOI: 10.1039/c7cp07667c
  • 査読あり
• [雑誌論文] Near room temperature chemical vapor deposition of graphene with diluted methane and molten gallium catalyst (2017)
  • 著者名/発表者名: Fujita Jun-ichi、Hiyama Takaki、Hirukawa Ayaka、Kondo Takahiro、Nakamura Junji、Ito Shin-ichi、Araki Ryosuke、Ito Yoshikazu、Takeguchi Masaki、Pai Woei Wu
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 7 ページ: 12371
  • DOI: 10.1038/s41598-017-12380-w
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Two-Dimensional Hallmark of Highly Interconnected Three-Dimensional Nanoporous Graphene (2017)
  • 著者名/発表者名: Di Bernardo Iolanda、Avvisati Giulia、Mariani Carlo、Motta Nunzio、Chen Chaoyu、Avila Jose、Asensio Maria Carmen、Lupi Stefano、Ito Yoshikazu、Chen Mingwei、Fujita Takeshi、Betti Maria Grazia
  • 雑誌名: ACS Omega 巻: 2 ページ: 3691～3697
  • DOI: 10.1021/acsomega.7b00706
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Terahertz and mid-infrared plasmons in three-dimensional nanoporous graphene (2017)
  • 著者名/発表者名: D’Apuzzo Fausto、Piacenti Alba R.、Giorgianni Flavio、Autore Marta、Guidi Mariangela Cestelli、Marcelli Augusto、Schade Ulrich、Ito Yoshikazu、Chen Mingwei、Lupi Stefano
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 8 ページ: 14885～14885
  • DOI: 10.1038/ncomms14885
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] ナノポーラスグラフェンにおける弱局在の幾何学的制御 (2018)
  • 著者名/発表者名: 岡本拓也, 伊藤良一, 藤田武志, 河野行雄
  • 学会等名: 日本物理学会第73回年次大会
• [学会発表] 太陽光熱を高効率に利用した3次元グラフェンデバイスの開発 (2018)
  • 著者名/発表者名: 伊藤良一
  • 学会等名: 第二回プレ戦略研究会「次世代物質・デバイス戦略開発拠点」
• [学会発表] 穴が空いたグラフェンで表面を保護された強酸性水溶液中での卑金属水素発生電極の開発 (2017)
  • 著者名/発表者名: 伊藤良一, 北條大介, 脇坂暢, 阿尻雅文
  • 学会等名: 第11回分子科学討論会
• [学会発表] 窒素ドープグラフェンで保護されたNiMoナノ粒子による強酸性水溶液での高効率水素発生材料の開発 (2017)
  • 著者名/発表者名: 胡 凱龍，藤田 淳一，伊藤良一
  • 学会等名: 第11回分子科学討論会
• [学会発表] Analyzing nanoscale optical and thermal properties in nanoporous graphene by near-field infrared microscopy (2017)
  • 著者名/発表者名: Takuya Okamoto, D. Suzuki, Yoshikazu. Ito, Takeshi Fujita, Yukio Kawano
  • 学会等名: 42nd International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (IRMMW-THz)
  • 国際学会
• [学会発表] 3D graphene expands graphene applications for sustainable societies (2017)
  • 著者名/発表者名: Yoshikazu Ito
  • 学会等名: Interdisciplinary Symposium for Up-and-coming Material Scientists 2017 (ISUMS2017)
  • 国際学会 / 招待講演
• [備考] 平成29年度 科学技術分野 文部科学大臣表彰若手科学者賞 数理物質系 伊藤 良一
  • URL: http://www.tsukuba.ac.jp/update/awards/20170511143104.html
• [備考] 平成29年度筑波大学若手教員特別奨励賞 数理物質系 伊藤 良一
  • URL: http://www.tsukuba.ac.jp/update/awards/20170620113304.html
• [備考] 第30回安藤博記念学術奨励賞
  • URL: http://www.ando-lab.or.jp/yo-ko-.html, http://www.ando-lab.or.jp/rekidai-6.html
• [備考] 第39回本多記念奨励賞
  • URL: http://hondakinenkai.or.jp/docs/59th_awards.pdf
• [備考] 日刊工業新聞、伊藤筑波大准教授ら選定
  • URL: https://www.nikkan.co.jp/articles/view/00429832