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2015 年度 実績報告書

BCN結晶創製と基礎物性評価に関する研究

研究課題

研究課題/領域番号 26248061
研究機関国立研究開発法人物質・材料研究機構

研究代表者

谷口 尚  国立研究開発法人物質・材料研究機構, 先端材料プロセスユニット, グループリーダー (80354413)

研究分担者 町田 友樹  東京大学, 生産技術研究所, 准教授 (00376633)
渡邊 賢司  国立研究開発法人物質・材料研究機構, 光・電子材料ユニット, 主席研究員 (20343840)
寺地 徳之  国立研究開発法人物質・材料研究機構, 光・電子材料ユニット, 主幹研究員 (50332747)
大場 史康  東京工業大学, 応用セラミックス研究所, 教授 (90378795)
中山 敦子  新潟大学, 学内共同利用施設等, 准教授 (50399383)
研究期間 (年度) 2014-04-01 – 2017-03-31
キーワード立方晶窒化ホウ素 / ダイヤモンド / BCN固溶体 / 高圧合成
研究実績の概要

本研究課題では、2次元系(黒鉛型)及び3次元系(ダイヤモンド型)、(BN)(1-x)(C2)x相(2次元系ではx=0~1、3次元系ではx=0~0.1、0.9~1)の高品位結晶の合成を通じて、新たなBCN系機能材料の創製を目指している。
2次元系BCN結晶合成では、昨年度hBN結晶中への高温度下での炭素拡散により1E20~3E18atom・cm-3の炭素原子がhBN膜厚方向に濃度勾配を持ってドープされること。当該結晶のバンド端発光スペクトルが消失し、新たに紫外線発光(波長250nm)を呈するなど、光学的特性に大きな変化が見られた。今年度当該結晶を新たに調整したタングステン製発熱体による高温炉(炭素フリー)で窒素中、1800℃程度でアニールすることにより、炭素不純物濃度が1F17atm.cm-3程度まで低減することを見出した(SIMS分析)。ポストアニールにより残留炭素不純物濃度の低減プロセスとして有用な可能性がある。
3次元結晶系ではCo-Ti-Cu系溶媒におけるTi濃度の制御によりダイヤモンド単結晶中の残留窒素濃度を1E21~1E16cm-3まで制御する合成条件を獲得した。合成時にホウ素を微量添加することにより、ダイヤモンド中でのB-Nペア濃度の制御条件の確立に進めたい。ダイヤモンド中のドーパントと点欠陥複合体を対象に第一原理計算を行い、B、Nについては、これらが共存する場合、複合体を形成することが示唆された。
更に、cBN結晶上へのダイヤモンドヘテロエピタキシャル成長条件を基に、高濃度ホウ素ドーピングを実施した。成長したダイヤモンドのホウ素濃度をカソードルミネッセンスで評価した。ガス中のホウ素濃度(B/Cgas)が2.1%で合成した結晶では、結晶中のホウ素濃度(B/Cdiamond)が0.1%(~1E20cm-3)であった。取り込み率の向上には、プラズマ診断を含めた、成長条件の最適化が必要である。

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

2次元系BCN結晶創製について、高純度hBN中への高温度下での炭素ドープにより1E17~1E21cm-3までの炭素濃度を有するhBN結晶の調整、更に炭素フリーの条件下(タングステン発熱体)による熱処理で、ドープされた炭素不純物の低減がなされることを見出した。
cBN結晶中で可能である希土類元素ドーピングをダイヤモンド中で達成するための基礎として、ダイヤモンド単結晶中に1E18cm-3オーダーのホウ素―窒素共添加条件を明らかにした。更にcBN/ダイヤモンドヘテロ接合結晶も合成し、引き続きこれらの構造評価、機能探索に展開する。
以上、2次元及び3次元系BCN固溶体結晶の合成と特性評価に向けて順調に進展している。

今後の研究の推進方策

引き続き、cBN或いはhBN結晶中への炭素ドープ また、ダイヤモンド中へのB-N共添加結晶の合成を進め、発光特性を中心とした評価を行う。また、cBN/ダイヤモンドヘテロ接合結晶は高圧法、CVDの両方で進め、形成される界面の特性を相互比較しつつ、新たな機能の発現を目指す。

  • 研究成果

    (18件)

すべて 2015 その他

すべて 国際共同研究 (2件) 雑誌論文 (11件) (うち国際共著 8件、 査読あり 11件、 謝辞記載あり 8件) 学会発表 (5件) (うち国際学会 2件、 招待講演 4件)

  • [国際共同研究] コロンビア大学/MIT/US Berkley(米国)

    • 国名
      米国
    • 外国機関名
      コロンビア大学/MIT/US Berkley
    • 他の機関数
      3
  • [国際共同研究]

    • 他の国数
      5
  • [雑誌論文] Generation and detection of pure valley current by electrically induced Berry curvature in bilayer graphene2015

    • 著者名/発表者名
      Y. Shimazaki, M. Yamamoto, I. V. Borzenets, K. Watanabe, T. Taniguchi, and S. Tarucha
    • 雑誌名

      Nature Physics

      巻: 11 ページ: 1032-1036

    • DOI

      10.1038/nphys3551

    • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Antenna-coupled photon emission from hexagonal boron nitride tunnel junctions2015

    • 著者名/発表者名
      M. Parzefall, P. Bharadwaj, A. Jain, T. Taniguchi, K. Watanabe, and L. Novotny
    • 雑誌名

      Nat. Nanotech

      巻: 10 ページ: 1058-1063

    • DOI

      10.1038/nnano.2015.203

    • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Gate-modulated conductance of few-layer WSe2 field-effect transistors in the subgap regime: Schottky barrier transistor and subgap impurity states2015

    • 著者名/発表者名
      J. Wang, D. Rhodes, S. Feng, M. A. T. Nguyen, K. Watanabe, T. Taniguchi, T. E. Mallouk, M. Terrones, L. Balicas, and J. Zhu
    • 雑誌名

      Appl. Phys. Lett

      巻: 106 ページ: 152104

    • DOI

      10.1063/1.4918282

    • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Gate-tunable topological valley transport in bilayer graphene2015

    • 著者名/発表者名
      M. Sui, G. Chen, L. Ma, W.-Y. Shan, D. Tian, K. Watanabe, T. Taniguchi, X. Jin, W. Yao, D. Xiao, and Y. Zhang
    • 雑誌名

      Nature Physics

      巻: 11 ページ: 1027-1031

    • DOI

      10.1038/nphys3485

    • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Local spectroscopy of moiré-induced electronic structure in gate-tunable twisted bilayer graphene2015

    • 著者名/発表者名
      D. Wong, Y. Wang, J. Jung, S. Pezzini, A. M. Dasilva, H.-Z. Tsai, H. S. Jung, R. Khajeh, Y. Kim, J. Lee, S. Kahn, S. Tollabimazraehno, H. Rasool, K. Watanabe, T. Taniguchi, A. Zettl, S. Adam, A. H. Macdonald, and M. F. Crommie
    • 雑誌名

      Phys. Rev. B

      巻: 92 ページ: 155409

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.92.155409

    • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Multi-terminal transport measurements of MoS2 using a van der Waals heterostructure device platform,2015

    • 著者名/発表者名
      X. Cui, G.-H. Lee, Y. D. Kim, G. Arefe, P. Y. Huang, C.-H. Lee, D. A. Chenet, X. Zhang, L. Wang, F. Ye, F. Pizzocchero, B. S. Jessen, K. Watanabe, T. Taniguchi, D. A. Muller, T. Low, P. Kim, and J. Hone
    • 雑誌名

      Nat. Nanotech

      巻: 10 ページ: 534-540

    • DOI

      10.1038/nnano.2015.70

    • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Profound Effect of Substrate Hydroxylation and Hydration on Electronic and Optical Properties of Monolayer MoS22015

    • 著者名/発表者名
      C. Zheng, Z.-Q. Xu, Q. Zhang, M. T. Edmonds, K. Watanabe, T. Taniguchi, Q. Bao, and M. S. Fuhrer
    • 雑誌名

      Nano Lett.

      巻: 15 ページ: 3096-3102

    • DOI

      10.1021/acs.nanolett.5b00098

    • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Quantum oscillations in a two-dimensional electron gas in black phosphorus thin films2015

    • 著者名/発表者名
      L. Li, G. J. Ye, V. Tran, R. Fei, G. Chen, H. Wang, J. Wang, K. Watanabe, T. Taniguchi, L. Yang, X. H. Chen, and Y. Zhang
    • 雑誌名

      Nat. Nanotech

      巻: 10 ページ: 608-613

    • DOI

      10.1038/nnano.2015.91

    • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Counting graphene layers based on the light-shielding effect of Raman scattering from a substrate2015

    • 著者名/発表者名
      Atsuko Nakayama, Suguru Hoshino, Yuh Yamada, Ayako Ohmura, Fumihiro Ishikawa
    • 雑誌名

      Applied Physics Letters

      巻: 107 ページ: 231604,

    • DOI

      DOI: 10.1063/1.4937140

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Imaging ballistic carrier trajectories in graphene using scanning gate microscopy2015

    • 著者名/発表者名
      [2]S. Morikawa, Z. Dou, S-W. Wang, C. G. Smith, K. Watanabe, T. Taniguchi, S. Masubuchi, T. Machida, and M. R. Connolly
    • 雑誌名

      Applied Physics Letters

      巻: 107 ページ: 243102

    • DOI

      10.1063/1.4937473

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Edge-channel Transport of Dirac Fermions in Graphene Quantum Hall Junctions2015

    • 著者名/発表者名
      [3]T. Machida, S. Morikawa, S. Masubuchi, R. Moriya, M. Arai, K. Watanabe, and T. Taniguchi
    • 雑誌名

      Journal of the Physics Society of Japan

      巻: 69 ページ: 357

    • DOI

      10.1149/06905.0357ecst

    • 査読あり
  • [学会発表] Impurity control in high pressure synthesis; 六方晶窒化ホウ素単結晶の合成と不純物制御~剥離・転写法による2次元系電子デバイス用基板への展開2015

    • 著者名/発表者名
      谷口 尚
    • 学会等名
      第9回研究講演会,グラフェンコンソーシアム
    • 発表場所
      東京
    • 年月日
      2015-12-06 – 2015-12-06
    • 招待講演
  • [学会発表] Hexagonal Boron Nitride single crystals: crystal growth and their characterization2015

    • 著者名/発表者名
      T.Taniguchi
    • 学会等名
      1st EU-Japan Workshop on Graphene and Related 2D Material,JST, Graphene Flagship
    • 発表場所
      Tokyo
    • 年月日
      2015-10-31 – 2015-11-02
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 高純度窒化ホウ素結晶合成とその遠紫外発光デバイス応用2015

    • 著者名/発表者名
      谷口 尚
    • 学会等名
      ニューガラスフォーラム 第1回評価技術研究会
    • 発表場所
      東京
    • 年月日
      2015-06-23 – 2015-06-23
    • 招待講演
  • [学会発表] Polarized Raman Scattering of martensitic transformed w-BN2015

    • 著者名/発表者名
      K. Watanabe, T. Taniguchi
    • 学会等名
      9th International Conference on New Diamond and Nano Carbons
    • 発表場所
      静岡
    • 年月日
      2015-05-23 – 2015-05-27
    • 国際学会
  • [学会発表] ダイヤモンド、cBN等の硬質材料・ワイドギャップ材料の高圧合成・不純物制御2015

    • 著者名/発表者名
      谷口 尚
    • 学会等名
      日本材料学会第64期通常総会・学術講演会
    • 発表場所
      米沢
    • 年月日
      2015-05-23 – 2015-05-25
    • 招待講演

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公開日: 2017-01-06  

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