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2017 年度 実施状況報告書

二次元デバイスのプラットフォームとなる六方晶窒化ホウ素の高結晶多層膜の創製

研究課題

研究課題/領域番号 17K19036
研究機関九州大学

研究代表者

吾郷 浩樹  九州大学, グローバルイノベーションセンター, 教授 (10356355)

研究分担者 光原 昌寿  九州大学, 総合理工学研究院, 准教授 (10514218)
研究期間 (年度) 2017-06-30 – 2019-03-31
キーワードナノ材料 / マイクロ・ナノデバイス / 結晶成長 / 触媒・化学プロセス
研究実績の概要

近年、グラフェンをはじめとする原子層物質が、優れた電気・光特性などから、次世代デバイス材料として大きな注目を集めている。しかし、これらの物性は基板の表面粗さや電荷不純物、格子振動によって特性が著しく低下することが知られている。このため、原子レベルで平坦な六方晶窒化ホウ素(hBN)の多層膜が、高性能の電子デバイスの絶縁層として非常に重要となっている。しかし、世界的に用いられているhBN膜のほぼ全てがhBN単結晶粒から機械的に剥離したものであり、この剥離片のサイズは非常に小さく、実際の応用には適さないという問題があった。
そこで、原子層物質の真の特性を発揮するのに有効な二次元材料プラットフォームを構築し、二次元材料の世界に大きなイノベーションをもたらすことを目標として研究を行った。この実現のために、本研究ではCVD法により高結晶性で均一な多層hBN膜を大面積に合成する手法の開発を進めた。当該年度は、ホウ素と窒素を含む原料の検討をはじめとして、触媒金属の組成、そして温度や圧力といったCVD成長条件について詳細な検討を行った。その結果、鉄をベースとする遷移金属の合金薄膜を用いることで均一性に優れた多層hBN(厚さ約3nm)を合成することができた。
さらに、半導体的な性質をもつ原子層物質である二硫化タングステンをこの多層hBN上に成長させ、蛍光を測定したところ、通常のシリコン基板上のものと比較して、強度が大きく、かつ半値幅の小さな鋭い発光ピークを得ることができた。つまり、多層hBNによってシリコン基板からの影響が大幅に低減されたことを意味している。この結果は、本研究で合成した多層hBNが原子層物質の絶縁基板として極めて有効に作用することを示すものであり、今後のさらなる大面積化や高品質化により、二次元材料研究に大きなインパクトを与えるものと期待される。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

単結晶基板上のエピタキシャル合金触媒を用いるという独自の手法を用いることで、均一性に優れた多層hBNの成長の可能性を拓くことができた。特に、従来の報告よりも光学コントラストが均一なhBN膜を得ることができた。
さらには、二硫化タングステンのような半導体の原子層物質の基板としての特性も評価を行うことができており、合成だけでなく、応用の可能性を示す結果が得られていることから順調な進展であるといえる。

今後の研究の推進方策

今後は、多層hBNの均一性と層数制御性をさらに向上させるとともに、原子レベルでの平坦性の一層の向上も望まれることから、継続してCVD合成に関する研究を継続する。さらに、グラフェンからなるトランジスタもこの多層hBN上に作製し、従来の剥離hBN片を上回る高いキャリア移動度のグラフェントランジスタを大面積に得ることで、原子層物質の応用に真に有効であることを実証したいと考えている。

次年度使用額が生じた理由

次年度に人件費や装置で比較的大きな額の使用が必要だったため。

  • 研究成果

    (24件)

すべて 2018 2017 その他

すべて 雑誌論文 (9件) (うち国際共著 3件、 査読あり 9件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (14件) (うち国際学会 7件、 招待講演 9件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] Two-step synthesis and characterization of vertically stacked SnS?WS2 and SnS?MoS2 p?n heterojunctions2018

    • 著者名/発表者名
      Sukma Aji Adha、Izumoto Masanori、Suenaga Kenshiro、Yamamoto Keisuke、Nakashima Hiroshi、Ago Hiroki
    • 雑誌名

      Physical Chemistry Chemical Physics

      巻: 20 ページ: 889~897

    • DOI

      10.1039/c7cp06823a

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Hydrogen-assisted epitaxial growth of monolayer tungsten disulfide and seamless grain stitching2018

    • 著者名/発表者名
      Ji Hyun Goo、Lin Yung-Chang、Nagashio Kosuke、Maruyama Mina、Sol?s-Fern?ndez Pablo、Sukma Aji Adha、Panchal Vishal、Okada Susumu、Suenaga Kazu、Ago Hiroki
    • 雑誌名

      Chemistry of Materials

      巻: 30 ページ: 403~411

    • DOI

      10.1021/acs.chemmater.7b04149

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Enhanced photocatalytic degradation of methyl orange by Au/TiO2 nanoparticles under neutral and acidic solutions2018

    • 著者名/発表者名
      Tsuji Masaharu、Matsuda Kanako、Tanaka Mayu、Kuboyama Satsuki、Uto Keiko、Wada Nozomi、Kawazumi Hirofumi、Tsuji Takeshi、Ago Hiroki、Hayashi Jun-ichiro
    • 雑誌名

      ChemistrySelect

      巻: 3 ページ: 1432~1438

    • DOI

      10.1002/slct.201702664

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Moisture barrier properties of single-layer graphene deposited on Cu films for Cu metallization2018

    • 著者名/発表者名
      Gomasang Ploybussara、Abe Takumi、Kawahara Kenji、Wasai Yoko、Nabatova-Gabain Nataliya、Cuong Nguyen Thanh、Ago Hiroki、Okada Susumu、Ueno Kazuyoshi
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics

      巻: 57 ページ: 04FC08~04FC08

    • DOI

      10.7567/jjap.57.04fc08

    • 査読あり
  • [雑誌論文] High-speed and on-chip graphene blackbody emitters for optical communications by remote heat transfer2018

    • 著者名/発表者名
      Miyoshi Yusuke、Fukazawa Yusuke、Amasaka Yuya、Reckmann Robin、Yokoi Tomoya、Ishida Kazuki、Kawahara Kenji、Ago Hiroki、Maki Hideyuki
    • 雑誌名

      Nature Communications

      巻: 9 ページ: 1~9

    • DOI

      10.1038/s41467-018-03695-x

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Highly conductive and transparent large-area bilayer graphene realized by MoCl5 intercalation2017

    • 著者名/発表者名
      Kinoshita Hiroki、Jeon Il、Maruyama Mina、Kawahara Kenji、Terao Yuri、Ding Dong、Matsumoto Rika、Matsuo Yutaka、Okada Susumu、Ago Hiroki
    • 雑誌名

      Advanced Materials

      巻: 29 ページ: 1702141~1702141

    • DOI

      10.1002/adma.201702141

    • 査読あり
  • [雑誌論文] High mobility WS2 transistors realized by multilayer graphene electrodes and application to high responsivity flexible photodetectors2017

    • 著者名/発表者名
      Aji Adha Sukma、Solis-Fernandez Pablo、Ji Hyun Goo、Fukuda Kenjiro、Ago Hiroki
    • 雑誌名

      Advanced Functional Materials

      巻: 27 ページ: 1703448~1703448

    • DOI

      10.1002/adfm.201703448

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Synthesis, structure and applications of graphene-based 2D heterostructures2017

    • 著者名/発表者名
      Solis-Fernandez Pablo、Bissett Mark、Ago Hiroki
    • 雑誌名

      Chemical Society Reviews

      巻: 46 ページ: 4572~4613

    • DOI

      10.1039/c7cs00160f

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Grain Boundaries and Gas Barrier Property of Graphene Revealed by Dark-Field Optical Microscopy2017

    • 著者名/発表者名
      Ding Dong、Hibino Hiroki、Ago Hiroki
    • 雑誌名

      The Journal of Physical Chemistry C

      巻: 122 ページ: 902~910

    • DOI

      10.1021/acs.jpcc.7b10210

    • 査読あり
  • [学会発表] 2段階CVD法を用いた二次元ファンデルワールスp-nヘテロ構造体の合成と輸送特性2018

    • 著者名/発表者名
      泉本征憲,Adha Sukma Aji, 吾郷浩樹
    • 学会等名
      第54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] 高結晶性2DマテリアルのCVD成長2018

    • 著者名/発表者名
      吾郷浩樹
    • 学会等名
      2018年 第65回応用物理学会春季学術講演会
    • 招待講演
  • [学会発表] Syntheses of high-quality graphene and related 2D materials for enhancing their applications2017

    • 著者名/発表者名
      H. Ago
    • 学会等名
      Graphene EU Flagship-Japan Second Workshop
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] CVD法による二次元原子薄膜の結晶成長2017

    • 著者名/発表者名
      吾郷浩樹
    • 学会等名
      2017年日本結晶成長学会特別講演会 「ブレークスルーをもたらす結晶成長技術 ―ナノスケール制御による新機能発現―」
    • 招待講演
  • [学会発表] Crystal growth and device applications of two-dimensional layered materials2017

    • 著者名/発表者名
      H. Ago
    • 学会等名
      AM-FPD'17 (24th Intenational Workshop on Active-Matrix Flatpanel Displays and Devices)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] "High-quality graphene and related 2D materials for future IoT society2017

    • 著者名/発表者名
      H. Ago
    • 学会等名
      IUMRS-ICAM 2017 (The 15th International Conference on Advanced Materials)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 二次元積層デバイス応用に向けた合金触媒による多層 h-BNの均一成長2017

    • 著者名/発表者名
      内田勇気, 仲村渠翔, 河原憲治, 山崎重人, 光原昌寿, 吾郷浩樹
    • 学会等名
      第78回応用物理学会秋季学術講演会
  • [学会発表] トンネルFET応用に向けた二次元半導体によるヘテロ構造体の合成2017

    • 著者名/発表者名
      泉本征憲,A. Sukma Aji, 河原憲治, 山本圭介, 中島寛, 吾郷浩樹
    • 学会等名
      第78回応用物理学会秋季学術講演会
  • [学会発表] Exploring the growth of high-quality graphene, related 2D materials, and their heterostructures for electronic applications2017

    • 著者名/発表者名
      H. Ago
    • 学会等名
      2017 NEA Symposium of Emerging Materials Innovation
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] グラフェンをはじめとした二次元材料の結晶成長と機能化・応用探索2017

    • 著者名/発表者名
      吾郷浩樹
    • 学会等名
      応用物理学会・応用電子物性分科会 研究例会「二次元層状物質研究の最前線」
    • 招待講演
  • [学会発表] Syntheses and applications of bilayer and multilayer graphene2017

    • 著者名/発表者名
      H. Ago
    • 学会等名
      8th A3 Symposium on Emerging Materials: Nanomaterials for Electronics, Energy and Environment
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] CVD growth and transport properties of SnS-MoS2 heterostructures2017

    • 著者名/発表者名
      M. Izumoto, A. Sukma Aji, K. Kawahara, K. Yamamoto, H. Nakashima, H. Ago
    • 学会等名
      8th A3 Symposium on Emerging Materials: Nanomaterials for Electronics, Energy and Environment
    • 国際学会
  • [学会発表] Epitaxial chemical vapor deposition growth of boron nitride atomic sheet over Cu(111)/sapphire substrate2017

    • 著者名/発表者名
      Y. Uchida, T. Iwaizako, S. Mizuno, M. Tsuji, H. Ago
    • 学会等名
      CSS-EEST19 (The 19th Cross Straits Symposium on Energy and Environmental Science and Technology)
    • 国際学会
  • [学会発表] グラフェンをはじめとする二次元材料の合成と応用展開2017

    • 著者名/発表者名
      吾郷浩樹
    • 学会等名
      H29年度埼玉県ナノカーボン人材育成プログラム
    • 招待講演
  • [備考] 九州大学グローバルイノベーションセンター(吾郷研究室)

    • URL

      http://www.gic.kyushu-u.ac.jp/ago/index.html

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公開日: 2018-12-17  

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