一次元ファンデルワールスヘテロ構造の創成と評価

2021 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 19H02543
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 項 栄 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (20740096)
• 研究分担者: 井ノ上 泰輝 大阪大学, 工学研究科, 助教 (00748949) ; 熊本 明仁 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 客員共同研究員 (70724590) ; 宮田 耕充 東京都立大学, 理学研究科, 准教授 (80547555)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2022-03-31
• キーワード: 1D heterostructure / heteronanotube / carbon nanotube / TEM

研究実績の概要

We succeeded in the experimental synthesis of one-dimensional (1D) van der Waals heterostructures, a class of materials where different atomic layers are coaxially stacked. We synthesized single-crystal layers of hexagonal boron nitride (BN) and molybdenum disulfide (MoS2) crystals on single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) by chemical vapor deposition (CVD). For the latter, larger-diameter nanotubes that overcome strain effect were more readily synthesized. We also report a 5-nanometer-diameter heterostructure consisting of an inner SWCNT, a middle three-layer BN nanotube, and an outer MoS2 nanotube. Electron diffraction verifies that all shells in the heterostructures are single crystals. Edge structures, nucleation sites, and crystal epitaxial relationships are clearly revealed using transmission electron microscopy (TEM). This is achieved by the direct synthesis of heteronanotubes on a CVD-compatible Si/SiO2 TEM grid, which enabled a transfer-free and nondestructive access to many intrinsic structural details. In particular, we have distinguished different-shaped boron nitride nanotube (BNNT) edges, which are confirmed by electron diffraction at the same location to be strictly associated with its own chiral angle and polarity. We also demonstrate the importance of surface cleanness and isolation for the formation of perfect 1D heterostructures. Furthermore, we elucidate the handedness correlation between the SWCNT template and BNNT crystals.

現在までの達成度 (段落)

令和3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

令和3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] Peking University/Tsinghua University/CAS(中国)
  • 国名: 中国
  • 外国機関名: Peking University/Tsinghua University/CAS
• [国際共同研究] Aalto University/Canatu Ltd.(フィンランド)
  • 国名: フィンランド
  • 外国機関名: Aalto University/Canatu Ltd.
• [国際共同研究] University of Warwick(英国)
  • 国名: 英国
  • 外国機関名: University of Warwick
• [国際共同研究] MIT/Portland State University/University of Maryland(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: MIT/Portland State University/University of Maryland
• [国際共同研究] CNRS(フランス)
  • 国名: フランス
  • 外国機関名: CNRS
• [国際共同研究]
  • 他の国数: 5
• [雑誌論文] Nanotube-based heterostructures for electrochemistry: A mini-review on lithium storage, hydrogen evolution and beyond (2022)
  • 著者名/発表者名: Zheng, Y.; Dai, W.; Zhang, X.; Huang, J.-Q.; Maruyama, S.; Yuan, H. Xiang, R.
  • 雑誌名: Journal of Energy Chemistry 巻: - ページ: -
  • DOI: 10.1016/j.jechem.2022.02.029
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Building Blocks for One-dimensional van der Waals Heterostructures (2022)
  • 著者名/発表者名: Xiang, R.; Maruyama, S. Li, Y.
  • 雑誌名: National Science Open 巻: - ページ: -
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Atomic Precision Manufacturing of Carbon Nanotube - A Perspective (2022)
  • 著者名/発表者名: Xiang, R.
  • 雑誌名: International Journal of Extreme Manufacturing 巻: - ページ: -
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Formation of Quantum Emitters in Air-Suspended Carbon Nanotubes Using Vapor-Phase Reaction (2022)
  • 著者名/発表者名: Kozawa, D.; Wu, X.; Ishii, A.; Fortner, J.; Otsuka, K.; Xiang, R.; Inoue, T.; Maruyama, S.; Wang, Y.-H. Kato, Y.
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: - ページ: -
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] One-dimensional van der Waals heterostructures: Growth mechanism and handedness correlation revealed by nondestructive TEM (2021)
  • 著者名/発表者名: Zheng, Y.; Kumamoto, A.; Hisama, K.; Otsuka, K.; Wickerson, G.; Sato, Y.; Liu, M.; Inoue, T.; Chiashi, S.; Tang, D.-M.; Zhang, Q.; Anisimov, A.; Kauppinen, E.I.; Li, Y.; Suenaga, K.; Ikuhara, Y.; Maruyama, S. Xiang, R.
  • 雑誌名: Proceedings of the National Academy of Sciences 巻: 118 ページ: e2107295118
  • DOI: 10.1073/pnas.2107295118
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] SWCNT@BNNT With 1D Van Der Waals Heterostructure With a High Optical Damage Threshold for Laser Mode-Locking (2021)
  • 著者名/発表者名: Zhang, Z.; Sun, X.; Yuan, P.; Yokokawa, S.; Zheng, Y.; Jiang, H.; Jin, L.; Anisimov, A.S.; Kauppinen, E.I.; Xiang, R.; Maruyama, S.; Yamashita, S. Set, S.Y.
  • 雑誌名: Journal of Lightwave Technology 巻: 39 ページ: 5875-5883
  • DOI: 10.1109/JLT.2021.3092522
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Tailoring Highly Ordered Graphene Framework in Epoxy for High-Performance Polymer-Based Heat Dissipation Plates (2021)
  • 著者名/発表者名: Ying, J.; Tan, X.; Lv, L.; Wang, X.; Gao, J.; Yan, Q.; Ma, H.; Nishimura, K.; Li, H.; Yu, J.; Liu, T.-H.; Xiang, R.; Sun, R.; Jiang, N.; Wong, C.; Maruyama, S.; Lin, C.-T. Dai, W.
  • 雑誌名: ACS Nano 巻: 15 ページ: 12922-12934
  • DOI: 10.1021/acsnano.1c01332
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Ultrahigh-Aspect-Ratio Boron Nitride Nanosheets Leading to Super High In-Plane Thermal Conductivity of Foldable Heat Spreader (2021)
  • 著者名/発表者名: Yan, Q.; Dai, W.; Gao, J.; Tan, X.; Lv, L.; Ying, J.; Lu, J.; Yao, Y.; Wei, Q.; Sun, R.; Yu, J.; Jiang, N.; Chen, D.; Wong, C.; Xiang, R.; Maruyama, S. Lin, C.T.
  • 雑誌名: ACS Nano 巻: 15 ページ: 6489
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Soft and Self-Adhesive Thermal Interface Materials Based on Vertically Aligned, Covalently Bonded Graphene Nanowalls for Efficient Microelectronic Cooling (2021)
  • 著者名/発表者名: Yan, Q.; Alam, F.E.; Gao, J.; Dai, W.; Tan, X.; Lv, L.; Wang, J.; Zhang, H.; Chen, D.; Nishimura, K.; Wang, L.; Yu, J.; Lu, J.; Sun, R.; Xiang, R.; Maruyama, S.; Zhang, H.; Wu, S.; Jiang, N. Lin, C.-T.
  • 雑誌名: Advanced Functional Materials 巻: - ページ: 2104062
  • DOI: 10.1002/adfm.202104062
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Metallic Nanowire Coupled CsPbBr3 Quantum Dots Plasmonic Nanolaser (2021)
  • 著者名/発表者名: Xing, D.; Lin, C.-C.; Won, P.; Xiang, R.; Chen, T.-P.; Kamal, S.A.; Ho, Y.L.; Maruyama, S.; Ko, S.H.; Chen, C.-W. Delaunay, J.J.
  • 雑誌名: Advanced Functional Materials 巻: - ページ: 2102375
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] van der Waals Heterostructures down to One Dimensional Level: Synthesis, Characterization and Applications (2021)
  • 著者名/発表者名: Xiang, R.; Zhang, Q.; Inoue, T. Maruyama, S.
  • 雑誌名: Material Matters 巻: 16 ページ: 18
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Heteronanotubes: challenges and opportunities (2021)
  • 著者名/発表者名: Xiang, R. Maruyama, S.
  • 雑誌名: Small Science 巻: 1 ページ: 2000039
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Self-Patterned CsPbBr3 Nanocrystal Based Plasmonic Hot-Carrier Photodetector at Telecommunications Wavelengths (2021)
  • 著者名/発表者名: Wang, Z.; Lin, C.-C.; Ho, Y.-L.; Xiang, R.; Maruyama, S.; Chen, C.-W. Delaunay, J.-J.
  • 雑誌名: Advanced Optical Materials 巻: 9 ページ: 2101474
  • DOI: 10.1002/adom.202101474
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Phenomenological modelling of thermal transport of hetero-nanotube network film (2021)
  • 著者名/発表者名: Wang, P.Y.K.; Feng, Y.; Xiang, R.; Inoue, T.; Anisimov, A.; Kauppinen, E.I.; Chiashi, S. Maruyama, S.
  • 雑誌名: Nanotechnology 巻: 32 ページ: 205708
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Semiconductor nanochannels in metallic carbon nanotubes by thermomechanical chirality alteration (2021)
  • 著者名/発表者名: Tang, D.-M.; Erohin Sergey, V.; Kvashnin Dmitry, G.; Demin Victor, A.; Cretu, O.; Jiang, S.; Zhang, L.; Hou, P.-X.; Chen, G.; Futaba Don, N.; Zheng, Y.; Xiang, R.; Zhou, X.; Hsia, F.-C.; Kawamoto, N.; Mitome, M.; Nemoto, Y.; Uesugi, F.; Takeguchi, M.; Maruyama, S.; Cheng, H.-M.; et al.
  • 雑誌名: Science 巻: 374 ページ: 1616-1620
  • DOI: 10.1126/science.abi8884
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Rational design of high-performance thermal interface materials based on gold-nanocap-modified vertically aligned graphene architecture (2021)
  • 著者名/発表者名: Tan, X.; Ying, J.; Gao, J.; Yan, Q.; Lv, L.; Nishimura, K.; Wei, Q.; Li, H.; Du, S.; Wu, B.; Xiang, R.; Yu, J.; Jiang, N.; Lin, C.-T. Dai, W.
  • 雑誌名: Composites Communications 巻: 24 ページ: 100621
  • DOI: 10.1016/j.coco.2020.100621
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Controlled Removal of Surfactants from Double-Walled Carbon Nanotubes for Stronger p-Doping Effect and Its Demonstration in Perovskite Solar Cells (2021)
  • 著者名/発表者名: Shawky, A.; Nam, J.-S.; Kim, K.; Han, J.; Yoon, J.; Seo, S.; Lee, C.S.; Xiang, R.; Matsuo, Y.; Lee, H.M.; Maruyama, S. Jeon, I.
  • 雑誌名: Small Methods 巻: - ページ: 2100080
  • DOI: 10.1002/smtd.202100080
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Thermal conductivity of one-dimensional carbon-boron nitride van der Waals heterostructure: A molecular dynamics study (2021)
  • 著者名/発表者名: Meng, H.; Maruyama, S.; Xiang, R. Yang, N.
  • 雑誌名: International Journal of Heat and Mass Transfer 巻: 180 ページ: 121773
  • DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2021.121773
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Photoluminescence from single-walled MoS2 nanotubes coaxially grown on boron nitride nanotubes (2021)
  • 著者名/発表者名: Liu, M.; Hisama, K.; Zheng, Y.J.; Maruyama, M.; Seo, S.; Anisimov, A.; Inoue, T.; Kauppinen, E.I.; Okada, S.; Chiashi, S.; Xiang, R. Maruyama, S.
  • 雑誌名: ACS Nano 巻: 15 ページ: 8418
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] One-step direct oxidation of fullerene-fused alkoxy ethers to ketones for evaporable fullerene derivatives (2021)
  • 著者名/発表者名: Lin, H.S.; Ma, Y.; Xiang, R.; Manzhos, S.; Jeon, I.; Maruyama, S. Matsuo, Y.
  • 雑誌名: Communications Chemistry 巻: 4 ページ: 74
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Lightweight thermal interface materials based on hierarchically structured graphene paper with superior through-plane thermal conductivity (2021)
  • 著者名/発表者名: Gao, J.; Yan, Q.; Lv, L.; Tan, X.; Ying, J.; Yang, K.; Yu, J.; Du, S.; Wei, Q.; Xiang, R.; Yao, Y.; Zeng, X.; Sun, R.; Wong, C.-P.; Jiang, N.; Lin, C.-T. Dai, W.
  • 雑誌名: Chemical Engineering Journal 巻: 419 ページ: 129609
  • DOI: 10.1016/j.cej.2021.129609
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] One-dimensional van der Waals heterojunction diode (2021)
  • 著者名/発表者名: Feng, Y.; Li, H.N.; Inoue, T.; Chiashi, S.; Rotkin, S.V.; Xiang, R. Maruyama, S.
  • 雑誌名: ACS Nano 巻: 15 ページ: 5600
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Zeolite-supported synthesis, solution dispersion, and optical characterizations of single-walled carbon nanotubes wrapped by boron nitride nanotubes (2021)
  • 著者名/発表者名: Feng, Y.; Li, H.N.; Hou, B.; Kataura, H.; Inoue, T.; Chiashi, S.; Xiang, R. Maruyama, S.
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 129 ページ: 015101
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Altering polythiophene derivative substrates to explore the mechanism of heterogeneous lithium nucleation for dendrite-free lithium metal anodes (2021)
  • 著者名/発表者名: Fan, Y.C.; Zhao, Y.; Li, S.; Liu, Y.; Y., L.; Zhu, Y.; Xiang, R.; Maruyama, S.; Zhang, H. Zhang, Q.F.
  • 雑誌名: Journal of Energy Chemistry 巻: 59 ページ: 63
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Multiscale Structural Modulation of Anisotropic Graphene Framework for Polymer Composites Achieving Highly Efficient Thermal Energy Management (2021)
  • 著者名/発表者名: Dai, W.; Lv, L.; Ma, T.; Ying, J.; Yan, J.; Xue, T.; Gao, J.; Yang, K.; Yu, J.; Yao, Y.; Sun, R.; Wang, Y.; Jiang, N.; Wong, C.P.; Xue, Q.; Xiang, R.; Maruyama, S. Lin, C.T.
  • 雑誌名: Advanced Science 巻: - ページ: 2003734
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Atomic-Step-Induced Screw-Dislocation-Driven Spiral Growth of SnS (2021)
  • 著者名/発表者名: Chang, Y.; Higashitarumizu, N.; Kawamoto, H.; Chu, F.; Lee, C.-J.; Nishimura, T.; Xiang, R.; Chang, W.; Maruyama, S. Nagashio, K.
  • 雑誌名: Chemistry of Materials 巻: 33 ページ: 186
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Nanotube-Based 1D Heterostructures Coupled by van der Waals Forces (2021)
  • 著者名/発表者名: Cambrテゥ, S.; Liu, M.; Levshov, D.; Otsuka, K.; Maruyama, S. Xiang, R.
  • 雑誌名: Small 巻: 17 ページ: 2102585
  • DOI: 10.1002/smll.202102585
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Intertube excitonic coupling in nanotube van der Waals heterostructures (2021)
  • 著者名/発表者名: Burdanova, M.G.; Liu, M.; Staniforth, M.; Zheng, Y.J.; Xiang, R.; Chiashi, S.; Anisimov, A.; Kauppinen, E.I.; Maruyama, S. Lloyd-Hughes, J.
  • 雑誌名: Advanced Functional Materials 巻: - ページ: -
  • 査読あり / 国際共著
• [備考] Website
  • URL: http://www.photon.t.u-tokyo.ac.jp/papers.html