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2019 年度 実績報告書

機能性半導体グラフェンの設計と創製

研究課題

研究課題/領域番号 19H01823
研究機関東京工業大学

研究代表者

齋藤 晋  東京工業大学, 理学院, 教授 (00262254)

研究分担者 平山 博之  東京工業大学, 理学院, 教授 (60271582)
橋詰 富博  東京工業大学, 理学院, 特任教授 (70198662)
豊田 雅之  東京工業大学, 理学院, 助教 (30536587)
研究期間 (年度) 2019-04-01 – 2023-03-31
キーワードグラフェン / 第一原理電子構造計算 / STM / 周期構造修飾 / 半導体
研究実績の概要

精密な第一原理電子構造計算に基づいて半導体的なバンド構造を持つと予測される、各種の周期的構造修飾されたグラフェン系の設計研究を展開し、六方晶の周期で構造修飾された系について、(1)どの様なパターンの場合に半導体となるか、(2)バンドギャップ値が構造修飾の周期の関数としてどの様に変化するか、(3)導入する修飾構造の大きさ(「穴」の直径など)の関数としてバンドギャップ値がどのように変化するか、についてかなり詳しい知見が得られた。そして、六方晶以外の2次元ブラベー格子の周期での周期構造修飾についても、幾つか詳しい電子構造が得られた。そして、各種の2次元結晶に相当する周期で研究を網羅的に行った場合の電子構造予言もなされた。
また、今後、半導体化されたグラフェンを用いたデバイス設計の際に課題となる、原子膜物質の伝導特性の第一原理に基づく定量的予測手法の研究も実施した。通常のグラフェンの場合のゲート電圧に関する伝導特性変化が良く再現される結果が得られた。
他方、グラフェン膜への周期構造修飾実験では、STMを用いた周期的な原子引き抜き実験を実施し、構造改変部分の形状の制御・精密化に向けた実験条件(温度、電場、探針とグラフェン面との距離など)のさらなる最適化を進めた。また、「穴」を開ける以外の周期構造修飾の方法として、グラフェン薄膜に異種原子を周期的にインターカレートする方法も検討し、有力な方法であることが確かめられた。さらに、イオンビームを用いる実験研究についても、検討を進めることとした。

現在までの達成度 (区分)
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

第一原理電子構造計算に基づく理論研究面では、様々な周期構造修飾されたグラフェン系の電子構造をかなりの高精度で計算できていると判断される状況である。さらに、実際の原子膜物質系で期待される電子輸送特性の予測研究も可能となった。実験研究でも、実際にグラフェンの周期構造修飾実験が開始されており、今後の展開が待たれる状況である。

今後の研究の推進方策

これまでの六方晶に加えて他の2次元ブラベー格子に属する周期構造修飾によるグラフェンのバンド構造エンジニアリング研究を展開する。実験的には、STM実験などに加えてイオンビームなどを用いた周期構造修飾を目指す。

  • 研究成果

    (4件)

すべて 2020 2019

すべて 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 3件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (1件)

  • [雑誌論文] Atomic structures and scanning tunnelling microscopy of nitrogen-doped carbon nanotubes2020

    • 著者名/発表者名
      Y. Fujimoto and S. Saito
    • 雑誌名

      IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering

      巻: 744 ページ: 012032-1~5

    • DOI

      10.1088/1757-899X/744/1/012032

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Effects of gas adsorption on the stabilities, electronic structures, and scanning tunneling microscopy of graphene monolayers doped with B or N2019

    • 著者名/発表者名
      Y. Fujimoto and S. Saito
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics

      巻: 58 ページ: 015005-1~8

    • DOI

      10.7567/1347-4065/aaf227

    • 査読あり
  • [雑誌論文] STM visualization of carbon impurities in sandwich structures consisting of hexagonal boron nitride and graphene2019

    • 著者名/発表者名
      T. Haga, Y. Fujimoto, and S. Saito
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics

      巻: 58 ページ: SIIB03-1~4

    • DOI

      10.7567/1347-4065/ab0ff8

    • 査読あり
  • [学会発表] 二次元の各種ブラベー格子の周期で構造修飾されたグラフェンの電子構造2019

    • 著者名/発表者名
      伊藤智哉、斎藤晋
    • 学会等名
      日本物理学会秋季大会

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公開日: 2021-12-27  

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