原子細線ファンデルワールス結晶の創出と物性開拓

2023 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 22H00283
• 研究機関: 東京都立大学
• 研究代表者: 宮田 耕充 東京都立大学, 理学研究科, 准教授 (80547555)
• 研究分担者: 齋藤 理一郎 東北大学, 理学研究科, 客員研究者 (00178518) ; 中西 勇介 東京都立大学, 理学研究科, 助教 (50804324) ; 岡田 晋 筑波大学, 数理物質系, 教授 (70302388) ; 竹延 大志 名古屋大学, 工学研究科, 教授 (70343035) ; 劉 崢 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 材料・化学領域, 上級主任研究員 (80333904)
• 研究期間 (年度): 2022-04-01 – 2025-03-31
• キーワード: 遷移金属カルコゲナイド / 原子細線 / インターカレーション / ファンデルワールス結晶 / 化学気相成長

研究実績の概要

2023年度は、引き続き(i)原子細線の構造制御と物性解明、および(ii)原子細線束への異種原子のインターカレーションを中心に研究を進めた。
構造制御に関しては、化学気相成長の条件の改善を通じて、サファイア基板上での原子細線の配向薄膜の密度制御を行った。また、薄膜の形状加工の条件検討を行い、フォトリソグラフィーとプラズマエッチングを利用したプロセスの条件を確立した。この薄膜に電極を作製し、細線の軸に平行および垂直方向で大きな電気抵抗の異方性を示すことが確認された。これらは、薄膜における細線の配向状態を強く反映した結果といえる。また、異方的な電子状態の検証に向け、可視領域での光吸収スペクトルを測定した。上記に示した、成長条件の改善により、高密度に細線が配列した試料の作製が可能となった。このような高密度薄膜において吸収スペクトルにおけるS/N比を大きく改善することができ、偏光に依存した測定によって軸に平行な偏光に対し吸収ピークが増強することを明らかにした。これらの異方的な吸収ピークは、原子細線のバンド間遷移に起因するものであると考えられる。今後、実験結果と理論計算と比較し、その起源を明らかにする。
細線間の空隙への原子・分子の挿入技術の確立と構造解明に関しては、ドープ率の制御を中心に試料作製を行った。ドープ率の制御は、実績のあるIn原子を中心に処理時の温度・時間を変えながら、ラマンスペクトルの変化を調べた。特に、処理温度を変えたときに、ピークの形状が連続的に変化していく様子が観測され、ドープ率が制御できたことを示唆している。

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

当初の計画通り、遷移金属カルコゲナイド原子細線束について、合成技術の高度化と空隙への異種原子の挿入に関する研究は順調に進んでいる。特に、高密度な配向薄膜の合成に成功し、電子輸送や光学特性の実験について進展があった。以上より、計画はおおむね順調に進展しているといえる。

今後の研究の推進方策

①原子細線のフェルミレベルや電子状態の制御を目指し細線間の空隙への原子・分子の挿入技術の開発を進める。具体的には、昨年度に引き続き気相法を利用した、異種金属のインターカレーションを行う。ドープ率の制御は、処理時の温度や時間を変えながら、ラマンスペクトルの変化を調べていく。異なる原子のインターカレーションでは、Tl、Gaやアルカリ金属について、引き続き温度等の処理条件の最適化を進める。作製した試料は、電子顕微鏡観察や元素分析により異種原子の分布や試料の結晶構造を評価していく。
②原子細線の物性については、分光および電子輸送を利用したアプローチより解明を目指す。分光に関しては、光吸収やラマンスペクトルより電子構造の異方性および低温での電子状態に関する研究を行う。具体的には、分光エリプソメトリーを利用した赤外から紫外域までの光学定数の測定や、パイエルス転移等の構造相転移の検証に向けてラマン散乱の温度依存性についての実験を進める。また、トンネル分光や電界ドーピングを利用した電子状態・物性探索に向け、絶縁膜転写とトップゲート電極の作製に関する要素技術を引き続き開発していく。

研究成果

• [国際共同研究] 国立台湾師範大学(その他の国・地域)
  • 国名: その他の国・地域
  • 外国機関名: 国立台湾師範大学
• [雑誌論文] Single-Gate MoS2 Tunnel FET with a Thickness-Modulated Homojunction (2024)
  • 著者名/発表者名: Fukui Tomohiro、Nishimura Tomonori、Miyata Yasumitsu、Ueno Keiji、Taniguchi Takashi、Watanabe Kenji、Nagashio Kosuke
  • 雑誌名: ACS Applied Materials & Interfaces 巻: 16 ページ: 8993～9001
  • DOI: 10.1021/acsami.3c15535
  • 査読あり
• [雑誌論文] QERaman: An open-source program for calculating resonance Raman spectra based on Quantum ESPRESSO (2024)
  • 著者名/発表者名: Hung Nguyen Tuan、Huang Jianqi、Tatsumi Yuki、Yang Teng、Saito Riichiro
  • 雑誌名: Computer Physics Communications 巻: 295 ページ: 108967～108967
  • DOI: 10.1016/j.cpc.2023.108967
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Chemically Tailored Semiconductor Moire Superlattices of Janus Heterobilayers (2024)
  • 著者名/発表者名: W. Zhang, Z. Liu, H. Nakajo, S. Aoki, H. Wang, Y. Wang, Y. Gao, M. Maruyama, T. Kawakami, Y. Makino, M. Kaneda, T. Chen, K. Aso, T. Ogawa, T. Endo, Y. Nakanishi, K. Watanabe, T. Taniguchi, Y. Oshima, Y. Yamada-Takamura, M. Koshino, S. Okada, K. Matsuda, T. Kato, Y. Miyata
  • 雑誌名: Small Structures 巻: 5 ページ: 2300514
  • DOI: 10.1002/sstr.202300514
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Structural modulation of bilayer graphene under an external electric field and carrier doping (2024)
  • 著者名/発表者名: Sultana Nadia、Gao Yanlin、Maruyama Mina、Okada Susumu
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 17 ページ: 035001～035001
  • DOI: 10.35848/1882-0786/ad2ecc
  • 査読あり
• [雑誌論文] Nanoscrolls of Janus Monolayer Transition Metal Dichalcogenides (2024)
  • 著者名/発表者名: Kaneda Masahiko、Zhang Wenjin、Liu Zheng、Gao Yanlin、Maruyama Mina、Nakanishi Yusuke、Nakajo Hiroshi、Aoki Soma、Honda Kota、Ogawa Tomoya、Hashimoto Kazuki、Endo Takahiko、Aso Kohei、Chen Tongmin、Oshima Yoshifumi、Yamada-Takamura Yukiko、Takahashi Yasufumi、Okada Susumu、Kato Toshiaki、Miyata Yasumitsu
  • 雑誌名: ACS Nano 巻: 18 ページ: 2772～2781
  • DOI: 10.1021/acsnano.3c05681
  • 査読あり
• [雑誌論文] Deep‐Ultraviolet and Helicity‐Dependent Raman Spectroscopy for Carbon Nanotubes and 2D Materials (2024)
  • 著者名/発表者名: Saito Riichiro、Hung Nguyen Tuan、Yang Teng、Huang Jianqi、Liu Hsiang‐Lin、Gulo Desman Perdamaian、Han Shiyi、Tong Lianming
  • 雑誌名: Small 巻: 5 ページ: 2300514
  • DOI: 10.1002/smll.202308558
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Trans-dimensionality of electron/hole channels in multilayer in-plane heterostructures comprising graphene and hBN superlattice (2024)
  • 著者名/発表者名: Zhang Hui、Gao Yanlin、Maruyama Mina、Okada Susumu
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 63 ページ: 015004～015004
  • DOI: 10.35848/1347-4065/ad1718
  • 査読あり
• [雑誌論文] Interacting Phonons between Layers in Raman Spectra of Carbon Nanotubes inside Boron Nitride Nanotubes (2023)
  • 著者名/発表者名: Gulo Desman Perdamaian、Hung Nguyen Tuan、Chen Wei-Liang、Wang Shuhui、Liu Ming、Kauppinen Esko I.、Maruyama Shigeo、Chang Yu-Ming、Saito Riichiro、Liu Hsiang-Lin
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry Letters 巻: 14 ページ: 10263～10270
  • DOI: 10.1021/acs.jpclett.3c02528
  • 査読あり
• [雑誌論文] Solution‐Processable Ultrapure‐Blue Light‐Emitting Electrochemical Cells (2023)
  • 著者名/発表者名: Tanaka Yuki、Ito Shun‐ichiro、Liu Junfeng、Ou Hao、Tanaka Hisaaki、Pu Jiang、Ikeno Atsuhiro、Hatakeyama Takuji、Takenobu Taishi
  • 雑誌名: Advanced Optical Materials 巻: 11 ページ: 2301119
  • DOI: 10.1002/adom.202301119
  • 査読あり
• [雑誌論文] Exploring optical properties of 2H- and 1T'-MoTe2 single crystals by spectroscopic ellipsometry (2023)
  • 著者名/発表者名: Gulo Desman Perdamaian、Hung Nguyen Tuan、Sankar Raman、Saito Riichiro、Liu Hsiang-Lin
  • 雑誌名: Physical Review Materials 巻: 7 ページ: 044001
  • DOI: 10.1103/PhysRevMaterials.7.044001
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Engineering chirality at wafer scale with ordered carbon nanotube architectures (2023)
  • 著者名/発表者名: Doumani Jacques、Lou Minhan、Dewey Oliver、Hong Nina、Fan Jichao、Baydin Andrey、Zahn Keshav、Yomogida Yohei、Yanagi Kazuhiro、Pasquali Matteo、Saito Riichiro、Kono Junichiro、Gao Weilu
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 14 ページ: 7380
  • DOI: 10.1038/s41467-023-43199-x
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Observing Axial Chirality of Chiral Single-Wall Carbon Nanotubes by Helicity-Dependent Raman Spectra (2023)
  • 著者名/発表者名: Han Shiyi、Hung Nguyen Tuan、Xie Ying、Saito Riichiro、Zhang Jin、Tong Lianming
  • 雑誌名: Nano Letters 巻: 23 ページ: 8454～8459
  • DOI: 10.1021/acs.nanolett.3c01791
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Self-Limiting Growth of Monolayer Tungsten Disulfide Nanoribbons on Tungsten Oxide Nanowires (2023)
  • 著者名/発表者名: Suzuki Hiroo、Kishibuchi Misaki、Misawa Masaaki、Shimogami Kazuma、Ochiai Soya、Kokura Takahiro、Liu Yijun、Hashimoto Ryoki、Liu Zheng、Tsuruta Kenji、Miyata Yasumitsu、Hayashi Yasuhiko
  • 雑誌名: ACS Nano 巻: 17 ページ: 9455～9467
  • DOI: 10.1021/acsnano.3c01608
  • 査読あり
• [雑誌論文] Nonlinear Optical Responses of Janus MoSSe/MoS2 Heterobilayers Optimized by Stacking Order and Strain (2023)
  • 著者名/発表者名: Hung Nguyen Tuan、Zhang Kunyan、Van Thanh Vuong、Guo Yunfan、Puretzky Alexander A.、Geohegan David B.、Kong Jing、Huang Shengxi、Saito Riichiro
  • 雑誌名: ACS Nano 巻: 17 ページ: 19877～19886
  • DOI: 10.1021/acsnano.3c04436
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Exciton energy transfer under low temperature in a lateral heteromonolayer of WSe2-MoSe2 (2023)
  • 著者名/発表者名: Shimasaki Masafumi、Endo Takahiko、Watanabe Kenji、Taniguchi Takashi、Matsuda Kazunari、Nishihara Taishi、Miyata Yasumitsu、Miyauchi Yuhei
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 62 ページ: 112002～112002
  • DOI: 10.35848/1347-4065/ad03ce
  • 査読あり
• [雑誌論文] Interference of excitons and surface plasmons in the optical absorption spectra of monolayer and bilayer graphene (2023)
  • 著者名/発表者名: Liu Hsiang-Lin、Annawati Bergitta Dwi、Hung Nguyen Tuan、Gulo Desman Perdamaian、Solis-Fernandez Pablo、Kawahara Kenji、Ago Hiroki、Saito Riichiro
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 107 ページ: 165421
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.107.165421
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Microscopic origin of polarization-entangled Stokes-anti-Stokes photons in diamond (2023)
  • 著者名/発表者名: Freitas Tiago A.、Machado Paula、Valente Lucas、Sier Diego、Correa Raul、Saito Riichiro、Galland Christophe、Santos Marcelo F.、Monken Carlos H.、Jorio Ado
  • 雑誌名: Physical Review A 巻: 108 ページ: L051501
  • DOI: 10.1103/PhysRevA.108.L051501
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] 1次元遷移金属カルコゲナイド細線の気相成長 (2023)
  • 著者名/発表者名: 中西 勇介、リム ホンエン、宮田 耕充
  • 雑誌名: 応用物理 巻: 92 ページ: 292～296
  • DOI: 10.11470/oubutsu.92.5_292
  • 査読あり
• [雑誌論文] High-throughput dry transfer and excitonic properties of twisted bilayers based on CVD-grown transition metal dichalcogenides (2023)
  • 著者名/発表者名: Naito Hibiki、Makino Yasuyuki、Zhang Wenjin、Ogawa Tomoya、Endo Takahiko、Sannomiya Takumi、Kaneda Masahiko、Hashimoto Kazuki、Lim Hong En、Nakanishi Yusuke、Watanabe Kenji、Taniguchi Takashi、Matsuda Kazunari、Miyata Yasumitsu
  • 雑誌名: Nanoscale Advances 巻: 5 ページ: 5115～5121
  • DOI: 10.1039/D3NA00371J
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Energetics and electronic structure of bilayer Janus WSSe (2023)
  • 著者名/発表者名: Gao Yanlin、Okada Susumu
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 16 ページ: 075004～075004
  • DOI: 10.35848/1882-0786/ace33d
  • 査読あり
• [雑誌論文] Spatially Coherent Tip-Enhanced Raman Spectroscopy Measurements of Electron?Phonon Interaction in a Graphene Device (2023)
  • 著者名/発表者名: Nadas Rafael Battistella、Gadelha Andreij C.、Barbosa Tiago C.、Rabelo Cassiano、de Louren?o e Vasconcelos Thiago、Monken Vitor、Portes Ary V. R.、Watanabe Kenji、Taniguchi Takashi、Ramirez Jhonattan C.、Campos Leonardo C.、Saito Riichiro、Can?ado Luiz Gustavo、Jorio Ado
  • 雑誌名: Nano Letters 巻: 23 ページ: 8827～8832
  • DOI: 10.1021/acs.nanolett.3c00851
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] Growth and Characterization of 1D Transition Metal Chalcogenides (2024)
  • 著者名/発表者名: Y. Miyata
  • 学会等名: International Winterschool on Electronic Properties of Novel Materials 2024
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Functional devices based on transition metal dichalcogenides and hexagonal boron nitride heterostructures (2024)
  • 著者名/発表者名: T. Takenobu
  • 学会等名: 15th Global Plasma Forum
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Low-dimensional nanostructures of Janus transition metal dichalcogenides (2023)
  • 著者名/発表者名: Y. Miyata
  • 学会等名: 13th A3 Symposium on Emerging Materials
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 1D nanostructures based on transition metal chalcogenides (2023)
  • 著者名/発表者名: Y. Miyata
  • 学会等名: 2D TMDs2023
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 1D Transition Metal Chalcogenides: Growth, Structures, and Properties (2023)
  • 著者名/発表者名: Y. Miyata
  • 学会等名: NT23
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 1D nanostructures based on transition metal chalcogenides (2023)
  • 著者名/発表者名: Y. Miyata
  • 学会等名: 6th EU‐Japan Workshop on Graphene and Related 2D Materials (2023)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] グラフェンに関する10個のストーリー (2023)
  • 著者名/発表者名: 齋藤理一郎
  • 学会等名: 物理学会講話
  • 招待講演
• [学会発表] 低次元半導体物質の研究戦略-ナノチューブ、２次元物質- (2023)
  • 著者名/発表者名: 齋藤理一郎
  • 学会等名: 第42回電子材料シンポジウム
  • 招待講演
• [備考]
  • URL: https://nanotube.fpark.tmu.ac.jp/index.html