ナノ炭素物質と無機半導体からなる複合構造におけるナノ界面物性の解明

2014 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 25246010
• 研究機関: 筑波大学
• 研究代表者: 岡田 晋 筑波大学, 数理物質系, 教授 (70302388)
• 研究分担者: 山本 貴博 東京理科大学, 工学部, 講師 (30408695) ; 松田 一成 京都大学, エネルギー理工学研究所, 教授 (40311435) ; 西永 慈郎 独立行政法人産業技術総合研究所, 太陽光発電研究センター, 研究員 (90454058)
• 研究期間 (年度): 2013-05-31 – 2017-03-31
• キーワード: ナノ材料 / ナノチューブ・フラーレン / 表面・界面物性 / 半導体物性

研究実績の概要

本研究では、フラーレンと無機半導体複合構造中に形成される、低次元ナノスケール界面の物性解明をおこない、そこで得られた知見をもとに、界面構造の制御方策の提示とデバイス応用を目指すことを目的としている。そこで、研究期間前半においては、Si、GaAs, AlGaAs等の半導体物質中に各種ナノカーボン物質がドープされた系の合成と、その物性解明を行い界面物性、構造に関する知見の蓄積を行う。まず、AlGaAs/GaAsヘテロ界面に形成される高移動度2次元電子ガスとC60電子トラップの相互作用について調査した。GaAsのバンドギャップよりも低エネルギーの光子により、C60電子トラップを直接励起することが可能であることを明らかにし、電子が2次元電子ガスを形成することにより抵抗率が大きく変化することを確認した。この現象はon/off比の高い高速光スイッチとして応用が期待できる。またドープされるナノカーボン物質の光学特性に関する知見の蓄積のために、カーボンナノチューブ、ナノグラフェン、遷移金属ダイカルコゲナイドなどの原子層物質における新規な量子光物性の解明を行った。特に、カーボンナノチューブを電極として用い高い変換効率を有する太陽電池の作製に成功、ナノグラフェン（グラフェン量子ドット、酸化グラフェン）における特異な発光の解明、遷移金属ダイカルコゲナイドにおける光キャリア緩和ダイナミクス起源などを明らかにした。理論サイドでは、C60が埋め込まれたSi個体、GaAs固体の原子構造と電子状態の探索を行い、いずれの場合もC60と半導体の間に比較的強い相互作用が存在し、C60の電子状態が大きく変調されることが明らかになった。また、各種有機-無機ハイブリッド系の熱物性の基礎データの収集を目的とし、様々な無機材料と有機材料の電気伝導、熱伝導、熱電変換のシミュレーションを実施した。

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

初年度、次年度に実施すべき、複合構造系に対する実験的、理論的な物性解明研究が概ね終了し、多くのデータの蓄積が行われつつあり、３年度目の目標である、低次元ナノ界面科学の構築のための基盤が概ね準備できた状況にある。また、ドープされるナノカーボン物質固有の特異な電子物性に関する知見も得られつつあり、新たな機能性デバイス構造提案に向けた知見の蓄積もできている。

今後の研究の推進方策

GaAs, AlInP, 窒化物系へC60がドープされた複合構造体の物性解明を理論、実験の両面から遂行し、基礎的な物性に関する知見の蓄積を行う。また、蓄積された知見を基に０次元ナノ界面物性科学の創成を試みる。また、一連のC60／半導体複合構造体に対して、特に光学特性に着目し、その物性をミクロスコピックに評価する。さらに、一連の複合系の吸収・発光特性や光電変換の分光感度特性の評価を理論、実験の両面から遂行する。
光学特性に対する知見を基に、C60バルク半導体複合構造体の光電変換材料としての応用可能製の評価とデバイス構造の提案、設計指針の提示を行っていく。とくに、高効率光電変換材料系への応用を念頭に置いて、光電変換効率、電流変換効率、エネルギー変換効率の評価を種々の構造に対して実行し、目指すべきデバイス組成と構造の提案を行う。また、C60/窒化物半導体に対しては、レアメタルフリーの発光デバイスへの応用可能性を検討し、デバイス設計指針の提示を行う。
他方、当該複合構造は、C60が半導体、絶縁体に埋め込まれた量子井戸の様に振る舞うことが期待されることから、電荷捕獲型の不揮発メモリ材料としての応用可能性を秘めている。その応用において、C60分子の高い安定性と特異な電子状態は安定且つ多値メモリデバイス、スピンデバイスとしての応用の可能性がある。本申請では、界面の電子物性、ドープされたC60の電子物性に対して得られて知見と、界面における熱物性に関する知見を基盤にし、C60ドープ半導体複合構造を用いた電荷捕獲型の不揮発メモリのデバイス構造の提案を行っていく。その際、書込み／読込み(R/W)時におけるミクロスコピクな動作原理を第一原理電子受胎計算と分子動力学計算の手法を相補的に用い理論的に明らかにデバイス設計の指針を提示する。また、その設計指針に基づき実際のデバイス構造の作成と評価を行う。

研究成果

• [雑誌論文] Significant enhancement of the thermoelectric performance of phosphorene through the application of tensile strain (2015)
  • 著者名/発表者名: S. Konabe, T. Yamamoto
  • 雑誌名: Appl. Phys. Express 巻: 8 ページ: 015202
  • DOI: 10.7567/APEX.8.015202
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Considerably improved photovoltaic performance of carbon nanotube-based solar cells using metal oxide layers (2015)
  • 著者名/発表者名: F. Wang, D. Kozawa, Y. Miyauchi, K. Hiraoka, S. Mouri, Y. Ohno, and K. Matsuda
  • 雑誌名: Nat. Commun. 巻: 6 ページ: 6305
  • DOI: 10.1038/ncomms7305
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Dispersion of CNT in Organic Solvent by Commercial Polymers with Ethylene Chains: Experimental and Theoretical Studies (2015)
  • 著者名/発表者名: Masahiro Shigeta, Katsumasa Kamiya, Mitsugu Uejima, Susumu Okada
  • 雑誌名: Japanese J. Appl. Phys. 巻: 54 ページ: 035101
  • DOI: 10.7567/JJAP.54.035101
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Tuning of the Thermoelectric Properties of One-Dimensional Material Networks by Electric Double Layer Techniques using Ionic liquids (2014)
  • 著者名/発表者名: Kazuhiro Yanagi, Shouhei Kanda, Yuki Oshima, Yoshimasa Kitamura, Hideki Kawai, Takahiro Yamamoto, Taishi Takenobu, Yusuke Nakai, and Yutaka Maniwa
  • 雑誌名: Nano Lett. 巻: 14 ページ: 6437
  • DOI: 10.1021/nl502982f
• [雑誌論文] Alternating current response of carbon nanotubes with randomly distributed impurities (2014)
  • 著者名/発表者名: Daisuke Hirai, Takahiro Yamamoto, and Satoshi Watanabe
  • 雑誌名: Appl. Phys. Lett. 巻: 105 ページ: 173106
  • DOI: 10.1063/1.4900785)
  • 査読あり
• [雑誌論文] Spin-polarized Currents through a Quantum Dot: Non-Equilibrium Green’s Function Simulations under Hartree Approximation (2014)
  • 著者名/発表者名: Kenji Sasaoka, Takahiro Yamamoto, and Satoshi Watanabe
  • 雑誌名: Jpn. J. Appl. Phys. 巻: 53 ページ: 115203
  • DOI: 10.7567/JJAP.53.115203
  • 査読あり
• [雑誌論文] Valley Photothermoelectric Effects in Transition Metal Dichalcogenides (2014)
  • 著者名/発表者名: Satoru Konabe and Takahiro Yamamoto
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 90 ページ: 075430
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.90.075430
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Anomalous satellite inductive peaks in the ac response of defective carbon nanotubes (2014)
  • 著者名/発表者名: Daisuke Hirai, Takahiro Yamamoto and Satoshi Watanabe
  • 雑誌名: J. Appl. Phys. 巻: 115 ページ: 174312
  • DOI: 10.1063/1.4874937
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Photocarrier relaxation pathway in two-dimensional semiconducting transition metal dichalcogenides (2014)
  • 著者名/発表者名: D. Kozawa, R. Kumar, A. Carvalho, K. K. Amara, W. Zhao, S. Wang, M. Toh, R. M. Ribeiro, A. H. Castro Neto, K. Matsuda and G. Eda
  • 雑誌名: Nat. Commun. 巻: 5 ページ: 4543
  • DOI: 10.1038/ncomms5543
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Nonlinear photoluminescence spectroscopy of carbon nanotubes with localized exciton states (2014)
  • 著者名/発表者名: M. Iwamura, N. Akizuki, Y. Miyauchi, S. Mouri, J. Shaver, Z. Gao, L. Cognet, B. Lounis, and K. Matsuda
  • 雑誌名: ACS Nano 巻: 8 ページ: 11254-11260
  • DOI: 10.1021/nn503803b
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] S. Mouri, Y. Miyauchi, M. Toh, W. Zhao, G. Eda, and K. Matsuda (2014)
  • 著者名/発表者名: Nonlinear photoluminescence in atomically thin layered WSe2 arising from diffusion-assisted exciton-exciton annihilation
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 90 ページ: 155449
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.90.155449
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Drastic change in photoluminescence properties of graphene quantum dots by chromatographic separation (2014)
  • 著者名/発表者名: N. Fuyuno, D. Kozawa, Y. Miyauchi, S. Mouri, R. Kitaura, H. Shinohara, T. Yasuda, N. Komatsu, and K. Matsuda
  • 雑誌名: Adv. Opt. Mat. 巻: 1 ページ: 983-989
  • DOI: 10.1002/adom.201400200
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Redox properties of a single (7,5)single-walled carbon nanotube determined by in situ photoluminescence spectroelectrochemical method (2014)
  • 著者名/発表者名: L. Hong, S. Mouri, Y. Miyauchi, K. Matsuda and N. Nakashima
  • 雑誌名: Nanoscale 巻: 6 ページ: 12798-12804
  • DOI: 10.1039/C4NR03945A
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Rayleigh scattering studies on inter-layer interactions in structure-defined individual double-wall carbon nanotubes (2014)
  • 著者名/発表者名: S. Zhao, T. Kitagawa, Y. Miyauchi, K. Matsuda, and H. Shinohara, and R. Kitaura
  • 雑誌名: Nano Res. 巻: 7 ページ: 1548-1555
  • DOI: 10.1007/s12274-014-0515-y
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Excitonic photoluminescence from nanodisc states in graphene oxides (2014)
  • 著者名/発表者名: D. Kozawa, X. Zhu, Y. Miyauchi, S. Mouri, M. Ichida, H. Su, and K. Matsuda
  • 雑誌名: J. Phys. Chem. Lett 巻: 5 ページ: 1754-1759.
  • DOI: 10.1021/jz500516u
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Nonlinear photoluminescence properties of trions in hole-doped single-walled carbon nanotubes (2014)
  • 著者名/発表者名: N. Akizuki, M. Iwamura, S. Mouri, Y. Miyauchi, T. Kawasaki, H. Watanabe, T. Suemoto, K. Wanatabe, K. Asano, and K. Matsuda
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 89 ページ: 195432
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.89.195432
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Energetics and electronic structures of polymerized cyclobutadiene (2014)
  • 著者名/発表者名: Mina Maruyama, Kyoko Nakada, and Susumu Okada
  • 雑誌名: Japanese J. Appl. Phys. 巻: 53 ページ: 035103
  • DOI: 10.7567/JJAP.53.035103
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Electrostatic modulation of electron-states in MoS2: First-principles Calculations (2014)
  • 著者名/発表者名: Nguyen Thanh Cuong, Minoru Otani, and Susumu Okada
  • 雑誌名: Journal of Physics: Condensed Matter 巻: 26 ページ: 135001
  • DOI: 10.1088/0953-8984/26/13/135001
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Flexible metallic nanowires with self-adaptive Ohmic contact to semiconducting transition-metal dichalcogenide monolayers (2014)
  • 著者名/発表者名: Junhao Lin, Ovidiu Cretu, Wu Zhou, Kazu Suenaga, Dhiraj Prasai, Kirill I. Bolotin, Nguyen Thanh Cuong, Minoru Otani, Susumu Okada, Andrew R. Lupini, Juan-Carlos Idrobo, Dave Caudel, Arnold Burger, Nirmal J. Ghimire, Jiaqiang Yan, David G. Mandrus, Stephen J. Pennycook, Sokrates T. Pantelides
  • 雑誌名: Nature Nanotechnology 巻: 9 ページ: 436 - 442
  • DOI: 10.1038/nnano.2014.81
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Two-dimensional sp2 Carbon Networks of Fused Pentagons (2014)
  • 著者名/発表者名: Mina Maruyama and Susumu Okada
  • 雑誌名: Japanese J. Appl. Phys. 巻: 53 ページ: 06JD02
  • DOI: 10.7567/JJAP.53.06JD02
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Structural Dependence of Electronic Properties of Graphene Nanoribbons on an Electric Field (2014)
  • 著者名/発表者名: Ayaka Yamanaka and Susumu Okada
  • 雑誌名: Japanese J. Appl. Phys. 巻: 53 ページ: 06JD05
  • DOI: 10.7567/JJAP.53.06JD05
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Energetics and Electronic Structures of C60 Included in [n]Cyclacene Molecules: Dynamical and Electronic Properties of C60 (2014)
  • 著者名/発表者名: Shota Kigure and Susumu Okada
  • 雑誌名: Japanese J. Appl. Phys. 巻: 53 ページ: 06JD06
  • DOI: 10.7567/JJAP.53.06JD06
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] An anomalous dipole-dipole arrangement of water molecules encapsulated into C60 dimer (2014)
  • 著者名/発表者名: Kazuya Nomura and Susumu Okada
  • 雑誌名: Chem. Phys. Lett. 巻: 608 ページ: 351--354
  • DOI: 10.1016/j.cplett.2014.06.013
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Spin-state tuning of decamethyl C60 by an external electric field (2014)
  • 著者名/発表者名: Kohei Narita and Susumu Okada
  • 雑誌名: Chem. Phys. Lett. 巻: 614 ページ: 10-14
  • DOI: 10.1016/j.cplett.2014.08.063
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Coulomb Interaction Effects on Optical Properties of Monolayer Transition Metal Dichalcogenides (2014)
  • 著者名/発表者名: Satoru Konabe and Susumu Okada
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 90 ページ: 155304
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.90.155304
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Electronic structures of carbon nanotubes with monovacancy under an electric field (2014)
  • 著者名/発表者名: U Ishiyama, Nguyen Thanh Cuong, and Susumu Okada
  • 雑誌名: Japanese J. Appl. Phys. 巻: 53 ページ: 115102
  • DOI: 10.7567/JJAP.53.115102
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Electronic and Geometric Structures of Carbon Nanotubes Encapsulating Polycyclic Aromatic Hydrocarbon Molecules (2014)
  • 著者名/発表者名: Shota Kigure, Yoko Iizumi, Toshiya Okazaki, and Susumu Okada
  • 雑誌名: J. Phys. Soc. Japan 巻: 83 ページ: 124709
  • DOI: 10.7566/JPSJ.83.124709
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Electron injection into nearly free electron states of graphene nanoribbons under a lateral electric field (2014)
  • 著者名/発表者名: Ayaka Yamanaka and Susumu Okada
  • 雑誌名: Appl. Phys. Express 巻: 7 ページ: 125103
  • DOI: 0.7567/APEX.7.125103
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Nanoporous Carbon Tubes from Fullerene Crystals as the pi-Electron Carbon Source (2014)
  • 著者名/発表者名: Lok Kumar Shrestha, Rekha Goswami Shrestha, Yusuke Yamauchi, Jonathan P. Hill, Toshiyuki Nishimura, Kun'ichi Miyazawa, Katsunori Wakabayashi, Takazumi Kawai, Susumu Okada, and Katsuhiko Ariga
  • 雑誌名: Angewandte Chemie International Edition 巻: 53 ページ: 951 - 955
  • DOI: 10.1002/anie.201408856
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Electronic transport properties of 10 nm graphene channel between Au electrodes (2014)
  • 著者名/発表者名: Hideyuki Jippo, Mari Ohfuchi, and Susumu Okada
  • 雑誌名: e-Journal of Surface Science and Nanotechnology 巻: 13 ページ: 54-58
  • DOI: 10.1380/ejssnt.2015.54
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [学会発表] Excitonic absorption on AlGaAs/GaAs superlattice solar cells (2015)
  • 著者名/発表者名: J. Nishinaga
  • 学会等名: Materials Challenges in Alternative & Renewable Energy 2015
  • 発表場所: Jeju, Korea
  • 年月日: 2015-02-24 – 2015-02-27
  • 招待講演
• [学会発表] ナノカーボン・GaAsヘテロ界面の結晶成長と基礎物性 (2014)
  • 著者名/発表者名: 西永慈郎
  • 学会等名: 第44回結晶成長国内会議
  • 発表場所: 学習院大学
  • 年月日: 2014-11-06 – 2014-11-08
  • 招待講演
• [学会発表] 原子層薄膜物質の光科学 (2014)
  • 著者名/発表者名: 松田一成
  • 学会等名: 応用物理学会秋季学術講演会
  • 発表場所: 北海道大学
  • 年月日: 2014-09-18 – 2014-09-18
  • 招待講演
• [学会発表] カーボンナノチューブの熱伝導と熱電変換 (2014)
  • 著者名/発表者名: 山本 貴博
  • 学会等名: 第46回 フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム
  • 発表場所: 愛知県・名古屋大学
  • 年月日: 2014-09-04 – 2014-09-04
  • 招待講演
• [学会発表] Strong nonlinear photoluminescence properties of trions in single-walled carbon nanotubes (2014)
  • 著者名/発表者名: K. Matsuda
  • 学会等名: 225rd The Electrochemical Society (ECS) Meeting
  • 発表場所: Orland, USA
  • 年月日: 2014-05-13 – 2014-05-13
  • 招待講演
• [産業財産権] 光電変換素子、太陽電池及び光センサー (2014)
  • 発明者名: 小鍋哲、岡田晋
  • 権利者名: 国立大学法人筑波大学
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 2014-183372
  • 出願年月日: 2014-09-09