機能性半導体グラフェンの設計と創製

2021 年度 実績報告書

• 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: 豊田 雅之 東京工業大学, 理学院, 助教 (30536587) ; 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)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2023-03-31
• キーワード: グラフェン / 半導体 / 電子構造計算 / STM

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、既に詳しい知見が得られていた六方晶、長方晶の周期で構造修飾されたグラフェンに加えて、今年度は蜂の巣格子の周期で構造修飾されたグラフェン系について、詳細な研究を展開した。この系は、ブラベー格子としては六方晶であるが、いわゆる単位胞内に２箇所、構造修飾が施されている。三角形状に原子を取り去る構造修飾を施した場合、半導体としてのバンドギャップ値の取り去った原子数への依存性が、単純な六方格子の場合と蜂の巣格子で全く異なることが判明した。即ち、単純な六方格子を含むこれまでの周期構造修飾の理論研究の結果から、取り去った原子数の平方根にバンドギャップ値は比例すると考えられてきたが、今回の系では逆に反比例する、という結果が得られた。より小さな構造修飾によりより大きなバンドギャップ値が得られるという、大変興味深い結果であり、グラフェンの周期構造修飾の重要性と多様性を明確に示す好例と考えられる。
さらに、半導体グラフェンがCu基板上で作成された場合、STM/STS実験でどのような像および電流電圧特性が観測されるかのシミュレーションを実施した。その結果、通常の金属的なグラフェンの場合とは明確に異なる結果となることが判明した。今後、Cu基板上でのグラフェンの半導体化の実験研究の展開が想定されるが、金属的な基板上でもグラフェンの半導体化に関して、その成否を判断する良い指針となると期待される結果である。

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

２次元系に周期構造修飾を施す場合、いわゆるブラベー格子は５種のみであり、それぞれにおいて半導体的となる場合のギャップ値の系統的な変化を求めることが主要な理論研究展開と考えていたが、蜂の巣格子など、多様な格子でそれぞれ特徴的な電子構造変化を示すことが明らかとなった。そのため、本分野における今後の研究展開にさらなる多様性が期待される状況となった。

今後の研究の推進方策

グラフェンに施す周期構造修飾について、より広範囲に渡る電子構造予測研究を展開し、実験研究のターゲットを明確にしていく。

研究成果

• [国際共同研究] McGill University(カナダ)
  • 国名: カナダ
  • 外国機関名: McGill University
• [雑誌論文] Floating Interlayer and Surface Electrons in 2D Materials: Graphite, Electrides, and Electrenes (2021)
  • 著者名/発表者名: Inoshita Takeshi、Saito Susumu、Hosono Hideo
  • 雑誌名: Small Science 巻: 1 ページ: 2100020-1～22
  • DOI: 10.1002/smsc.202100020
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Relative stabilities of Si polytypes under biaxial stress: A first-principles study (2021)
  • 著者名/発表者名: Kita Reo、Toyoda Masayuki、Saito Susumu
  • 雑誌名: Physical Review Materials 巻: 5 ページ: 063402-1～9
  • DOI: 10.1103/PhysRevMaterials.5.063402
  • 査読あり
• [雑誌論文] Electronic states and modulation doping of hexagonal boron nitride trilayers (2021)
  • 著者名/発表者名: T. Haga, Y. Matsuura, Y. Fujimoto, and S. Saito
  • 雑誌名: Physical Review Materials 巻: 5 ページ: 094003-1～11
  • DOI: 10.1103/PhysRevMaterials.5.094003
  • 査読あり
• [雑誌論文] Crystalline boron monosulfide nanosheets with tunable bandgaps (2021)
  • 著者名/発表者名: H. Kusaka, R. Ishibiki, M. Toyoda, T. Fujita, T. Tokunaga, A. Yamamoto, M. Miyakawa, K. Matsushita, K. Miyazaki, L. Li, S.L. Shinde, M.S.L. Lima, T. Sakurai, E. Nishibori, T. Masuda, K. Horiba, K. Watanabe, S. Saito, M. Miyauchi, T. Taniguchi, H. Hosono and T. Kondo
  • 雑誌名: Journal of the Materials Chemistry A 巻: 9 ページ: 24631-24640
  • DOI: 10.1039/D1TA03307G
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] 可変バンドギャップを持つ硫化ホウ素ナノシートの生成と評価 (2022)
  • 著者名/発表者名: H. Kusaka, R. Ishibiki, M. Toyoda, T. Fujita, T. Tokunaga, A. Yamamoto, M. Miyakawa, K. Matsushita, K. Miyazaki, L. Li1, S. S. Laxman, T. Sakurai, E.Nishibori, T. Masuda, K. Horiba, K.Watanabe, S.Saito, M. Miyauchi, T. Taniguchi, H. Hosono, T. Kondo
  • 学会等名: 第14回 日本ホウ素・ホウ化物研究会
• [学会発表] Relative stabilities of Si polytypes under the biaxial stress A first principles study (2022)
  • 著者名/発表者名: R. Kita, M.Toyoda, and S. Saito
  • 学会等名: American Physical Society 2022 March Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Scaling law of band gap values in graphene with triangular defects in a superhoneycomb arrangement: A first-principles study (2022)
  • 著者名/発表者名: Y. Taguchi, M. Toyoda, and S. Saito
  • 学会等名: American Physical Society 2022 March Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] 終わりに（カーボンナノチューブ発見30周年記念シンポジウム） (2021)
  • 著者名/発表者名: 斎藤晋
  • 学会等名: 日本物理学会2021年秋季大会
  • 招待講演
• [学会発表] 周期的欠陥のある半導体グフェンを用いた積層系の設計と電⼦物性研究 (2021)
  • 著者名/発表者名: 田口裕太, 斎藤晋
  • 学会等名: 日本物理学会2021年秋季大会
• [学会発表] Liインターカレートした単層および多層グラフェンにおける質量のあるディ ラックコーン (2021)
  • 著者名/発表者名: 一ノ倉聖, 豊田雅之, 橋爪瑞葵,堀井健太郎, 出田真一 郎, 田中清尚, 清水亮太, 一杉太郎, 斎藤晋, 平原徹
  • 学会等名: 日本物理学会2021年秋季大会
• [学会発表] Substitutional doping from boron to carbon in hydrogen boride sheets (2021)
  • 著者名/発表者名: Riku Kawamura, Ryota Ishibiki, Yoshitaka Fujimoto, Taiga Goto, Shin-ichi Ito, Takeshi Fujita, Tomoharu Tokunaga, Masahiro Miyauchi, Soshi Iimura, Akiyasu Yamamoto, Daiki Umeyama, Satoshi Tominaka, Susumu Saito, Hideo Hosono, Takahiro Kondo
  • 学会等名: The 9th International Symposium on Surface Science ~Toward Sustainable Development~
  • 国際学会
• [学会発表] Crystalline boron monosulfide nanosheets with tunable bandgaps (2021)
  • 著者名/発表者名: H. Kusaka, R. Ishibiki, M. Toyoda, T. Fujita, T. Tokunaga, A. Yamamoto, M. Miyakawa, K. Matsushita, K. Miyazaki, L. Li, S. S. Laxman, T. Sakurai, E. Nishibori, T. Masuda, K. Horiba, K. Watanabe, S. Saito, M. Miyauchi, T. Taniguchi, H. Hosono, T. Kondo
  • 学会等名: The 9th International Symposium on Surface Science ~Toward Sustainable Development~
  • 国際学会
• [学会発表] Van Hove Singularity in Thickness Controlled Li-Intercalated Graphene (2021)
  • 著者名/発表者名: S. Ichinokura, M. Toyoda, M. Hashizume, K. Horii, S. Kusaka, S. Ideta, K. Tanaka, R. Shimizu, T. Hitosugi, S. Saito, and T. Hirahara
  • 学会等名: The 9th International Symposium on Surface Science ~Toward Sustainable Development~
  • 国際学会
• [学会発表] Band Engineering and Quantum Well Formation in Semiconducting Defective Graphene Multilayers: A First-Principles Study (2021)
  • 著者名/発表者名: Yuta Taguchi, Masayuki Toyoda, and Susumu Saito
  • 学会等名: The 2021 Materials Research Society Fall Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Substitutional doping from boron to carbon in hydrogen boride sheets (2021)
  • 著者名/発表者名: Riku Kawamura，Ryota Ishibiki，Yoshitaka Fujimoto，Taiga Goto，Shin-ichi Ito，Takeshi Fujita, Tomoharu Tokunaga, Masahiro Miyauchi, Soshi Iimura, Akiyasu Yamamoto, Daiki Umeyama, Satoshi Tominaka, Susumu Saito，Hideo Hosono，Takahiro Kondo
  • 学会等名: MRM2021 Materials Research Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Crystalline boron monosulfide nanosheets with tunable bandgaps (2021)
  • 著者名/発表者名: H. Kusaka, R. Ishibiki, M. Toyoda, T. Fujita, T. Tokunaga, A. Yamamoto, M. Miyakawa, K. Matsushita, K. Miyazaki, L. Li, S. L. Shinde, T. Sakurai, E. Nishibori, T. Masuda, K. Horiba, K. Watanabe, S. Saito, M. Miyauchi, T. Taniguchi, H. Hosono, T. Kondo
  • 学会等名: MRM2021 Materials Research Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Curvature effects of graphene and carbon nanotube on molecular adsorption and quantum transport (2021)
  • 著者名/発表者名: Yoshitaka Fujimoto, Susumu Saito
  • 学会等名: MRM2021 Materials Research Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] First-principles study of impurity-induced states in h-BN monolayer using hybrid functional (2021)
  • 著者名/発表者名: Taishi Haga, Yuan Shuaishuai, Kirk H. Bevan, and Susumu Saito
  • 学会等名: MRM2021 Materials Research Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Polytypes of sp3 elements (2021)
  • 著者名/発表者名: Reo Kita, Masayuki Toyoda, Masahiro Sakurai, and Susumu Saito
  • 学会等名: 11th A3 Symposium on Emerging Materials
  • 国際学会