高品位六方晶窒化ホウ素単結晶の創製と新たな機能発現

2013 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 23246116
• 研究機関: 独立行政法人物質・材料研究機構
• 研究代表者: 谷口 尚 独立行政法人物質・材料研究機構, その他部局等, その他 (80354413)
• 研究分担者: 渡邊 賢司 独立行政法人物質・材料研究機構, その他部局等, その他 (20343840) ; 山田 貴壽 独立行政法人産業技術総合研究所, その他部局等, 研究員 (30306500) ; 宮川 仁 独立行政法人物質・材料研究機構, その他部局等, その他 (40552667) ; 中山 敦子 新潟大学, 学内共同利用施設等, 准教授 (50399383) ; 川村 史朗 独立行政法人物質・材料研究機構, その他部局等, その他 (80448092) ; 大場 史康 京都大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (90378795)
• 研究期間 (年度): 2011-04-01 – 2014-03-31
• キーワード: 六方晶窒化ホウ素 / 高圧合成 / 遠紫外線発光 / グラフェンデバイス用基板

研究概要

本研究は、高品位六方晶窒化ホウ素(hBN)単結晶の創製と新たな機能発現として、(1)遠紫外線発光特性の高効率化、(2)半導体特性、(3)グラフェン用基板特性の制御を目的としている。これを実現するためには、高品質・大型のhBN単結晶創製と共に、不純物の添加・制御手法を確立することが必要である。そこで、本研究は既存の高純度hBN単結晶の合成技術を更にもう一段進め、更なる高純度化と、より大型の結晶作成のための(1)合成プロセスの高度化、制御された不純物の添加による(2)ドーピング技術の開発、得られた高純度結晶と不純物を添加した結晶の特性評価による新たな(3)機能発現と制御、の3要素により構成される。
H25年度の主たる研究概要を以下に示す。
・高品位単結晶合成と評価 新たに導入した10気圧までの高窒素ガス圧炉により、辺長4mm程度の多結晶hBNを合成した。これまでNi-Mo-Cr合金系溶媒を用いていたが、5万気圧領域で用いていたBa系溶媒も新たに適用し、10気圧領域での溶媒効果を検証した。その結果、粒子径数百μm程度ではあるが、遠紫外線発光挙動を呈する良質hBN単結晶が得られた。遠紫外線発光用hBN蛍光体粒子の作製プロセスとして有望である。
・グラフェン基板材料としての応用の観点では、引き続き各国の連携研究機関に高圧合成で得たhBN単結晶を提供し、hBN-グラフェン積層構造による新規デバイスに加え、MoS2系等の新たな2次元電子系デバイス用基板、絶縁膜としての有用性を検証した。
・新たな試みとして、高圧合成したhBN単結晶を10万気圧、室温～800℃程度で処理することにより無拡散型の転移によるウルツ鉱型BN結晶を合成し、そのバンド端発光特性等を明らかにした。

現在までの達成度 (区分)

理由

25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

25年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Massive Dirac Fermions and Hofstadter Butterfly in a van der Waals Heterostructure (2013)
  • 著者名/発表者名: B.Hunt, J.D.Sanchez-Yamagishi, A.F.Young, M.Yankowitz, B.J.LeRoy, K.Watanabe, T.Taniguchi, P.Moon, M.Koshino, P.Jarillo-Herrero, and R.C.Ashoori
  • 雑誌名: Science 巻: 340 ページ: 1427-1430
  • DOI: 10.1126/science.1237240
  • 査読あり
• [雑誌論文] Dielectric screening of the Kohn anomaly of graphene on hexagonal boron nitride (2013)
  • 著者名/発表者名: F. Forster, A. Molina-Sanchez, S. Engels, A. Epping, K. Watanabe, T. Taniguchi, L. Wirtz, and C. Stampfer
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 88 ページ: 085419
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.88.085419
  • 査読あり
• [雑誌論文] Electrical Spin Injection into Graphene through Monolayer Hexagonal Boron Nitride (2013)
  • 著者名/発表者名: T. Yamaguchi, Y. Inoue, S. Masubuchi, S. Morikawa, M. Onuki, K. Watanabe, T. Taniguchi, R. Moriya, and T. Machida
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 6 ページ: 073001
  • DOI: 10.7567/APEX.6.073001
  • 査読あり
• [雑誌論文] Electrically tunable transverse magnetic focusing in graphene (2013)
  • 著者名/発表者名: T. Taychatanapat, K. Watanabe, T. Taniguchi, and P. Jarillo-Herrero
  • 雑誌名: Nature Physics 巻: 9 ページ: 225-229
  • DOI: 10.1038/nphys2549
  • 査読あり
• [雑誌論文] Epitaxial growth of single-domain graphene on hexagonal boron nitride (2013)
  • 著者名/発表者名: W. Yang, G. Chen, Z. Shi, C.-C. Liu, L. Zhang, G. Xie, M. Cheng, D. Wang, R. Yang, D. Shi, K. Watanabe, T. Taniguchi, Y. Yao, Y. Zhang, and G. Zhang
  • 雑誌名: Nat. Mater 巻: 12 ページ: 792-797
  • DOI: 10.1038/nmat3695
  • 査読あり
• [雑誌論文] Etched graphene quantum dots on hexagonal boron nitride, (2013)
  • 著者名/発表者名: S. Engels, A. Epping, C. Volk, S. Korte, B. Voigtlander, K. Watanabe, T. Taniguchi, S. Trellenkamp, and C. Stampfer
  • 雑誌名: Appl. Phys. Lett. 巻: 103 ページ: 073113
  • DOI: 10.1063/1.4818627
  • 査読あり
• [雑誌論文] Fabrication and Characterization of High-Mobility Graphene p--n--p Junctions Encapsulated by Hexagonal Boron Nitride (2013)
  • 著者名/発表者名: S. Masubuchi, S. Morikawa, M. Onuki, K. Iguchi, K. Watanabe, T. Taniguchi, and T. Machida,
  • 雑誌名: Jpn. J. Appl. Phys 巻: 52 ページ: 110105
  • DOI: 10.7567/JJAP.52.110105
  • 査読あり
• [雑誌論文] Hofstadter’s butterfly and the fractal quantum Hall effect in moire superlattices (2013)
  • 著者名/発表者名: C. R. Dean, L. Wang, P. Maher, C. Forsythe, F. Ghahari, Y. Gao, J. Katoch, M. Ishigami, P. Moon, M. Koshino, T. Taniguchi, K. Watanabe, K. L. Shepard, J. Hone, and P. Kim
  • 雑誌名: Nature 巻: 497 ページ: 598-602
  • DOI: 10.1038/nature12186
  • 査読あり
• [雑誌論文] Atomic Structure of Luminescent Centers in High-Efficiency Ce-doped w-AlN Single Crystal (2013)
  • 著者名/発表者名: R. Ishikawa, A. R. Lupini, F. Oba, S. D. Findlay, N. Shibata, T. Taniguchi, K. Watanabe, H. Hayashi, T. Sakai, I. Tanaka, Y. Ikuhara, and S. J. Pennycook
  • 雑誌名: SCIENTIFIC REPORTS 巻: 4 ページ: 3778
  • DOI: 10.1038/srep03778
  • 査読あり
• [雑誌論文] Functional Complex Point-Defect Structure in a Huge-Size-Mismatch System (2013)
  • 著者名/発表者名: R.Ishikawa, N.Shibata, F.Oba, T. Taniguchi, S.D.Findlay, I.Tanaka, Y.Ikuhara
  • 雑誌名: Phys. Rev. Lett 巻: 110 ページ: 065504-1
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.110.065504
  • 査読あり
• [学会発表] グラフェン/h-BNからの電界電子放出特性 (2014)
  • 著者名/発表者名: 山田貴壽、増澤智昭、胡谷大志、岡野健、谷口尚
  • 学会等名: 第11回真空ナノエレクトロニクスシンポジウム
  • 発表場所: 大阪大学
  • 年月日: 20140305-20140306
  • 招待講演
• [学会発表] Synthesis of high purity hBN single crystals by using solvent growth process (2013)
  • 著者名/発表者名: T.Taniguchi and K.Watanabe
  • 学会等名: 5th International Conf on Recent Progress in Graphene Res
  • 発表場所: 東京工業大学
  • 年月日: 20130909-20130913
  • 招待講演
• [学会発表] Optical Properties of Boron Nitride Single Crystals (2013)
  • 著者名/発表者名: K.Watanabe and T.Taniguchi
  • 学会等名: CLEO-PR 2013
  • 発表場所: Kyoto international conferene center
  • 年月日: 20130630-20130704
  • 招待講演
• [学会発表] Synthesis of hBN single crystals at high pressure and ambient pressure, and their properties (2013)
  • 著者名/発表者名: T.Taniguchi
  • 学会等名: 17th International Symposium on Intercalation Compounds
  • 発表場所: Sendai International Center
  • 年月日: 20130512-20130516
• [学会発表] Pressure-induced structural-change in hBN coexisting with hydrogen gas at room temperature (2013)
  • 著者名/発表者名: Atsuko Nakayama, Shotaro Taguchi, Shohei Mitsuya, Takashi Taniguchi, Satoshi Nakano, Ayako Ohmura, Fumihiro Ishikawa, Yuh Yamada
  • 学会等名: 17th International Symposium on Intercalation Compounds
  • 発表場所: Sendai International Center
  • 年月日: 20130512-20130516
• [学会発表] 高圧合成法による高純度窒化ホウ素単結晶研究の現状と新しい応用展開
  • 著者名/発表者名: 渡邊賢司 谷口 尚
  • 学会等名: 第15回応用物理学会プラズマエレクトロニクス分科会新領域研究会
  • 発表場所: KDX 名古屋駅前ビル名城大学名駅サテライト
  • 招待講演
• [学会発表] Band alignment of zinc-blende and chalcopyrite semiconductors: Effects of misfit dislocations
  • 著者名/発表者名: F. Oba
  • 学会等名: APS March Meeting 2014
  • 発表場所: Denver. USA
  • 招待講演
• [学会発表] Point defects in oxide and nitride semiconductors: Understanding and prediction toward material screening
  • 著者名/発表者名: F.Oba
  • 学会等名: MRS Fall Meeting
  • 発表場所: Boston USA
  • 招待講演
• [学会発表] 六方晶窒化ホウ素の単結晶高圧合成と光機能
  • 著者名/発表者名: 谷口 尚
  • 学会等名: 日本表面科学会 第79回表面科学研究会
  • 発表場所: 東京工業大学すずかけ台大学会館
  • 招待講演