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2022 年度 実施状況報告書

2次元-3次元構造転移の電界制御による熱スイッチ素子の開発

研究課題

研究課題/領域番号 22K18881
研究機関東京工業大学

研究代表者

片瀬 貴義  東京工業大学, 科学技術創成研究院, 准教授 (90648388)

研究期間 (年度) 2022-06-30 – 2024-03-31
キーワード熱伝導率 / 構造転移 / 薄膜トランジスタ
研究実績の概要

初年度は、層状2DSnSeと岩塩型3DPbSeの非平衡固溶体(Pb1-xSnx)Seについて、エピタキシャル薄膜の作製とキャリア輸送特性の評価を行い、次いで薄膜トランジスタの試作まで行った。まず、パルスレーザー堆積法によりPbSeエピタキシャル薄膜/SnSe多結晶膜の2層膜をMgO(001)単結晶基板上に成膜させた。その後、Ar雰囲気の石英ガラス管に封入して、高温で固相反応させた後に急冷し、高温非平衡相(Pb1-xSnx)Seを室温に凍結させた。各PbSe/SnSe膜の成長条件と熱処理温度を最適化することで結晶配向性を大きく向上させることができた。また、Sn組成xの増加に伴って2D-3D構造転移温度が上昇し、最大で5桁を超える巨大な抵抗変化を示す(Pb1-xSnx)Seエピタキシャル薄膜を作製することに成功した。X線回折の温度依存性から、室温では3D構造相の分率が100%であったのに対して、降温とともに3D構造から2D構造へ相転移し、20Kでの2D構造の相分率は92%に到達した。その後、140Kまで昇温すると再び3D構造へ転移して元の相分率に戻ることが分かった。次に、相境界組成の(Pb0.5Sn0.5)Se薄膜を用いた薄膜トランジスタを作製した。具体的には、メタルマスクを用いて(Pb0.5Sn0.5)Se薄膜の活性層を形成し、イオン液体をゲート絶縁層とする強電界印加が可能な電気二重層トランジスタを作製した。負のゲート電圧を印加することで、約3桁抵抗が減少し、電圧をOFFすることで元に戻ることが確認され、印加電圧の大きさによって抵抗変化率を制御できることが分かった。

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

当初の予定通り、非平衡(Pb1-xSnx)Seエピタキシャル薄膜の作製・評価と薄膜トランジスタの試作まで進めることができた。

今後の研究の推進方策

今年度に実現した(Pb1-xSnx)Seエピタキシャル薄膜と薄膜トランジスタについて、2D-3D構造転移による電気抵抗・熱伝導率の変化とサイクル特性を評価していく。

次年度使用額が生じた理由

電子部品の調達が遅れており、デバイス評価の関連設備の導入を次年度に行う予定である。また予定していた国際会議に参加できなかったことから旅費に残額が生じたが、来年度は国内・国際会議で積極的に成果発表する予定である。

  • 研究成果

    (19件)

すべて 2023 2022 その他

すべて 雑誌論文 (4件) (うち査読あり 4件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (14件) (うち招待講演 3件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] Reversible Thermal Conductivity Modulation of Non-equilibrium (Sn1-xPbx)S by 2D-3D Structural Phase Transition above Room Temperature2023

    • 著者名/発表者名
      Zhongxu Hu, Mari Hiramatsu, Xinyi He, Takayoshi Katase, Terumasa Tadano, Keisuke Ide, Hidenori Hiramatsu, Hideo Hosono, Toshio Kamiya
    • 雑誌名

      ACS Appl. Energy Mater.

      巻: 6 ページ: 3504-3513

    • DOI

      10.1021/acsaem.3c00060

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] High-Mobility Metastable Rock-Salt Type (Sn,Ca)Se Thin Film Stabilized by Direct Epitaxial Growth on a YSZ (111) Single-Crystal Substrate2022

    • 著者名/発表者名
      Xinyi He, Jinshuai Chen Takayoshi Katase, Makoto Minohara, Keisuke Ide, Hidenori Hiramatsu, Hiroshi Kumigashira, Hideo Hosono, Toshio Kamiya
    • 雑誌名

      ACS Appl. Mater. Interfaces

      巻: 14 ページ: 18682-18689

    • DOI

      10.1021/acsami.2c01464

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Design, Synthesis, and Optoelectronic Properties of the High-Purity Phase in Layered AETMN2 (AE = Sr, Ba; TM = Ti, Zr, Hf) Semiconductors2022

    • 著者名/発表者名
      Akihiro Shiraishi, Shigeru Kimura, Xinyi He, Naoto Watanabe, Takayoshi Katase, Keisuke Ide, Makoto Minohara, Kosuke Matsuzaki, Hidenori Hiramatsu, Hiroshi Kumigashira, Hideo Hosono, Toshio Kamiya
    • 雑誌名

      Inorg. Chem.

      巻: 61 ページ: 6650-6659

    • DOI

      10.1021/acs.inorgchem.2c00604

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Giant electronic conductivity switching driven by artificial modulation of crystal structure dimensionality2022

    • 著者名/発表者名
      Takayoshi Katase, Toshio Kamiya
    • 雑誌名

      JSAP Review

      巻: 2022 ページ: 220418

    • DOI

      10.11470/jsaprev.220418

    • 査読あり
  • [学会発表] 新材料開発によるエネルギーデバイスの革新2022

    • 著者名/発表者名
      片瀬貴義
    • 学会等名
      東海 NFRW・東海地区若手チャプタージョイントワークショップ
    • 招待講演
  • [学会発表] カルコゲナイド固溶系半導体の2次元―3次元構造転移と熱伝導率変調2022

    • 著者名/発表者名
      片瀬貴義
    • 学会等名
      応用物理学会第6回フォノンエンジニアリング研究会
    • 招待講演
  • [学会発表] 超高効率エネルギー利用を可能にする新材料・デバイス開発2022

    • 著者名/発表者名
      片瀬貴義
    • 学会等名
      科学工学技術委員会講演会
    • 招待講演
  • [学会発表] 準安定(Pb1-xSnx)Se固溶体の合成:2次元-3次元構造転移の誘起と電気・熱伝導率変調2022

    • 著者名/発表者名
      片瀬貴義、西村優作, ホ シンイ, 只野央将、井手啓介、気谷卓、半沢幸太、平松秀典、川路均、細野秀雄、神谷利夫
    • 学会等名
      日本セラミックス協会第42回電子材料研究討論会
  • [学会発表] (111)配向非平衡岩塩型(Sn,Ca)Seエピタキシャル薄膜のドメイン境界の電気特性2022

    • 著者名/発表者名
      片瀬貴義、ホ シンイ, チェン ジンシュアイ, 井手啓介、平松秀典、細野秀雄、神谷利夫
    • 学会等名
      日本セラミックス協会第42回電子材料研究討論会
  • [学会発表] 高移動度岩塩型(Sn,Ca)Se準安定相のエピタキシャル薄膜成長とキャリア輸送特性2022

    • 著者名/発表者名
      片瀬貴義、ホ シンイ, チェン ジンシュアイ, 井手啓介、平松秀典、細野秀雄、神谷利夫
    • 学会等名
      第83回応用物理学会秋季学術講演会
  • [学会発表] 準安定(Pb1-xSnx)Se固溶体の2次元-3次元構造転移に伴う熱伝導率変調2022

    • 著者名/発表者名
      片瀬貴義、西村優作, ホ シンイ, 只野央将、井手啓介、気谷卓、半沢幸太、平松秀典、川路均、細野秀雄、神谷利夫
    • 学会等名
      第83回応用物理学会秋季学術講演会
  • [学会発表] ZnO中の水素複合欠陥2022

    • 著者名/発表者名
      ホ シンイ、片瀬貴義、井手啓介、細野秀雄、神谷利夫
    • 学会等名
      薄膜材料デバイス研究会 第19回研究集会
  • [学会発表] 非平衡(Sn1-xPbx)S固溶体の格子間Snによる高濃度電子ドーピング2022

    • 著者名/発表者名
      フゾンシュ、平松茉莉、ホシンイ、片瀬貴義、井手啓介、平松秀典、細野秀雄、神谷利夫
    • 学会等名
      日本セラミックス協会第42回電子材料研究討論会
  • [学会発表] (Sn1-xPbx)S固溶体の非平衡合成と熱・電気特性制御2022

    • 著者名/発表者名
      フゾンシュ、平松茉莉、ホシンイ、片瀬貴義、井手啓介、平松秀典、細野秀雄、神谷利夫
    • 学会等名
      応用物理学会第6回フォノンエンジニアリング研究会
  • [学会発表] 非平衡(Sn,Pb)S固溶体の合成: 格子間Snによる電子ドーピングと強フォノン散乱2022

    • 著者名/発表者名
      フゾンシュ、平松茉莉、ホシンイ、片瀬貴義、井手啓介、平松秀典、細野秀雄、神谷利夫
    • 学会等名
      日本セラミックス協会 第35回秋季シンポジウム
  • [学会発表] Electronic property of metastable rock-salt type (Sn,Ca)Se thin film with the 180o rotational domain structure2022

    • 著者名/発表者名
      ホシンイ、チェン ジンシュアイ、片瀬貴義、井手啓介、平松秀典、細野秀雄、神谷利夫
    • 学会等名
      日本セラミックス協会 第35回秋季シンポジウム
  • [学会発表] 層状SnSe非平衡相のエピタキシャル膜による安定化と構造・電気特性2022

    • 著者名/発表者名
      樋口龍生、片瀬貴義、半沢幸太、井手啓介、平松秀典、細野秀雄、神谷利夫
    • 学会等名
      日本セラミックス協会 第35回秋季シンポジウム
  • [学会発表] Degenerated hole doping and enhanced thermoelectric figure-of-merit ZT in layered SnSe by isovalent Te ion substitution2022

    • 著者名/発表者名
      Xinyi He, Zhang Haoyun, Takumi Nose, Takayoshi Katase, Terumasa Tadano, Keisuke Ide, Hidenori Hiramatsu, Hideo Hosono, and Toshio Kamiya
    • 学会等名
      第83回応用物理学会秋季学術講演会
  • [備考] Reserach map

    • URL

      https://researchmap.jp/katase

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公開日: 2023-12-25  

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