格子不整合二次元ナノ界面における熱・電荷輸送の相関の解明と制御

2022 年度 実績報告書

• 研究領域: ２．５次元物質科学：社会変革に向けた物質科学のパラダイムシフト
• 研究課題/領域番号: 22H05469
• 研究機関: 東京都立大学
• 研究代表者: 柳 和宏 東京都立大学, 理学研究科, 教授 (30415757)
• 研究期間 (年度): 2022-06-16 – 2024-03-31
• キーワード: 熱輸送 / 電荷輸送 / 原子層 / 積層制御 / ファンデルワールス界面

研究実績の概要

人為的に原子層物質を積層することにより形成される格子不整合な二次元ナノ界面は、顕著な断熱性を示す。この二次元界面は、高性能熱電変換や異方性熱輸送など新たな機能創出に繋がる可能性を秘めているが、その断熱性と電気伝導・熱起電力特性との関係は全く分かっていない。そこで本研究では、金を温度計金属として用いた時間領域サーモリフレクタンス法（TDTR法）という申請者独自の熱輸送測定と、原子層積層技術・垂直デバイス作製技術を駆使し、系統的に界面構造を変化させた格子不整合二次元界面を対象に、その熱伝導・電気伝導・熱起電力の相関を明らかにする。また、インターカレーションによるイオンの挿入が、界面熱及び電荷輸送に与える影響を解き明かし、両輸送を電界で制御する為の指針を得ることが目標である。今年度は以下の三つの課題、課題１　ホモ・ヘテロ大面積積層における熱・電荷輸送の相関の解明、課題２　格子不整合積層における熱・電荷輸送の相関の界面、課題３　電気化学的手法などを組み合わせた熱・電荷輸送の制御の探索、について研究を進めた。課題１に関しては、MoS2、WS2の大面積単層試料の転写積層を４層それぞれ行い比較を行った。試料転写においてクラック等が生じ、上部・下部金電極のショートする傾向が見られ、熱輸送については議論できる可能性があるものの、熱・電荷輸送を構造に基づいて議論することは困難であることが分かった。よって同一試料に対してアニーリング処理等の界面構造を系統的に変化させる方向で、熱・電荷輸送の相関を議論する課題２に取り組み、現在、予備的データが得られている状況である。まだ課題３を通して、導電性ポリマーや有機半導体材料に対して、電気化学や温度による構造転移を利用した熱・電荷輸送の相関の解明を進めており、これも熱輸送の可逆変調が可能と示唆される予備的データが得ることに成功した。

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

４層積層したホモ・ヘテロ界面系において、熱・電荷輸送の相関を構造に基づいて議論することや、原子層におけるインターカレーションを通して熱・電荷輸送の相関解明は、一定の進捗やその理解を進められたものの未だ未達成である。しかし、熱処理を通した界面構造の変化を熱・電荷輸送の相関で理解するアプローチに着眼し、研究を着実に進めている。また、導電性ポリマーや有機半導体材料系における構造変化を通した熱・電荷輸送の変調に関して新たな知見も得られており、研究はおおむね順調に進展していると評価している。

今後の研究の推進方策

以下の三つの課題、課題１　ホモ・ヘテロ大面積積層における熱・電荷輸送の相関の解明、課題２　格子不整合積層における熱・電荷輸送の相関の界面、課題３　電気化学的手法などを組み合わせた熱・電荷輸送の制御の探索、を着実に進める為、今年度は次の方策を立てている。
課題１に関しては、大面積試料の場合は必然的にクラック等が生じてしまう為、単一ドメイン試料で行う必要がある。よって、顕微TDTR系の構築が必要不可欠である為、顕微TDTR測定系を完成させ、その後、単一ドメイン試料に対する研究を進める。また顕微の場合は試料位置の確認の精度を向上させる必要があり、試料チャンバについて新たなものの作成を行う。
課題２に対しては、大面積試料においても熱処理等のパラメータで、一定の議論が可能であり、今年度はその研究課題をまとめる。
課題３に対しては、共同研究を通して、予備的知見から、有機半導体材料系の温度相転移や、導電性ポリマー系におけるインターカレーションによる構造変化を通して、熱輸送が可逆変化可能であることが示唆されている。原子層系におけるインターカレーションに関する課題も含め、今年度もこの知見に基づいて、再現性や電荷輸送との相関も含めて研究を推進していく。

研究成果

• [国際共同研究] ハイデルベルグ大学(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: ハイデルベルグ大学
• [国際共同研究] ライス大学(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: ライス大学
• [雑誌論文] Continuous Color‐Tunable Light‐Emitting Devices Based on Compositionally Graded Monolayer Transition Metal Dichalcogenide Alloys (2022)
  • 著者名/発表者名: Jiang Pu, Hao Ou, Tomoyuki Yamada, Naoki Wada, Hibiki Naito, Hiroto Ogura, Takahiko Endo, Zheng Liu, Toshifumi Irisawa, Kazuhiro Yanagi, Yusuke Nakanishi, Yanlin Gao, Mina Maruyama, Susumu Okada, Keisuke Shinokita, Kazunari Matsuda, Yasumitsu Miyata, Taishi Takenobu
  • 雑誌名: Advanced Materials 巻: 44 ページ: 2203250
  • DOI: 10.1002/adma.202203250
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Surfactant-Assisted Isolation of Small-Diameter Boron-Nitride Nanotubes for Molding One-Dimensional van der Waals Heterostructures (2022)
  • 著者名/発表者名: Furusawa Shinpei、Nakanishi Yusuke、Yomogida Yohei、Sato Yuta、Zheng Yongjia、Tanaka Takumi、Yanagi Kazuhiro、Suenaga Kazu、Maruyama Shigeo、Xiang Rong、Miyata Yasumitsu
  • 雑誌名: ACS Nano 巻: 16 ページ: 16636～16644
  • DOI: 10.1021/acsnano.2c06067
  • 査読あり
• [雑誌論文] Unravelling the Complete Raman Response of Graphene Nanoribbons Discerning the Signature of Edge Passivation (2022)
  • 著者名/発表者名: Milotti Valeria、Berkmann Claudia、Laranjeira Jorge、Cui Weili、Cao Kecheng、Zhang Yifan、Kaiser Ute、Yanagi Kazuhiro、Melle‐Franco Manuel、Shi Lei、Pichler Thomas、Ayala Paola
  • 雑誌名: Small Methods 巻: 6 ページ: 2200110～2200110
  • DOI: 10.1002/smtd.202200110
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Electric-field-induced metal-insulator transition and quantum transport in large-area polycrystalline <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:msub><mml:mi>MoS</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:math> monolayers (2022)
  • 著者名/発表者名: Ou Hao、Yamada Tomoyuki、Mitamura Masaya、Edagawa Yusuke、Matsuda Tatsuma D.、Yanagi Kazuhiro、Chen Chang-Hsiao、Li Lain-Jong、Takenobu Taishi、Pu Jiang
  • 雑誌名: Physical Review Materials 巻: 6 ページ: 64005
  • DOI: 10.1103/PhysRevMaterials.6.064005
  • 査読あり
• [雑誌論文] Conserved axis-dependent conduction polarity in NaSnAs polycrystalline bulk sample for transverse thermoelectric application (2022)
  • 著者名/発表者名: Omprakash Muthusamy、Usui Hidetomo、Yanagi Kazuhiro、Mizuguchi Yoshikazu、Goto Yosuke
  • 雑誌名: Materials Today Communications 巻: 31 ページ: 103558～103558
  • DOI: 10.1016/j.mtcomm.2022.103558
  • 査読あり
• [雑誌論文] Heat and Charge Carrier Flow through Single-Walled Carbon Nanotube Films in Vertical Electrolyte-Gated Transistors: Implications for Thermoelectric Energy Conversion (2022)
  • 著者名/発表者名: Ueji Kan、Muto Nobuhiro、Heimfarth Daniel、Matsuoka Yuya、Ichinose Yota、Yomogida Yohei、Yagi Takashi、Zaumseil Jana、Yanagi Kazuhiro
  • 雑誌名: ACS Applied Nano Materials 巻: 5 ページ: 6100～6105
  • DOI: 10.1021/acsanm.2c01687
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Structures and optical properties of thin tungsten oxide nanowires treated with poly(ethylene glycol) (2022)
  • 著者名/発表者名: Rahman Md. Ashiqur、Yomogida Yohei、Nagano Mai、Tanaka Ryoga、Yanagi Kazuhiro
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 61 ページ: SD1018～SD1018
  • DOI: 10.35848/1347-4065/ac528c
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Formation of a Two-Dimensional Electronic System in Laterally Assembled WTe Nanowires (2022)
  • 著者名/発表者名: Shimizu Hiroshi、Pu Jiang、Liu Zheng、Lim Hong En、Maruyama Mina、Nakanishi Yusuke、Ito Shunichiro、Kikuchi Iori、Endo Takahiko、Yanagi Kazuhiro、Oshima Yugo、Okada Susumu、Takenobu Taishi、Miyata Yasumitsu
  • 雑誌名: ACS Applied Nano Materials 巻: 5 ページ: 6277～6284
  • DOI: 10.1021/acsanm.2c00377
  • 査読あり
• [雑誌論文] Hall effect in gated single-wall carbon nanotube films (2022)
  • 著者名/発表者名: Yomogida Yohei、Horiuchi Kanako、Okada Ryotaro、Kawai Hideki、Ichinose Yota、Nishidome Hiroyuki、Ueji Kan、Komatsu Natsumi、Gao Weilu、Kono Junichiro、Yanagi Kazuhiro
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 12 ページ: 101
  • DOI: 10.1038/s41598-021-03911-7
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Relationships betweenthe cross-plane electrical and thermal conductance in stacked van der Waals homo/heterostructures (2023)
  • 著者名/発表者名: Kaiyao Zhou, Kan Ueji, Takahiko Endo, Yasumitsu Miyata, Rikuto Abe, Hiroyuki Nishidome, Sota Nakamura, YoheiYomogida, Kazuhiro Yanagi
  • 学会等名: 2.5次元領域会議
• [学会発表] Investigation of the cross-plane electrical conductance in stacked multilayer van der Waals heterostructure withultralow thermal conductance (2023)
  • 著者名/発表者名: Kaiyao Zhou, Kan Ueji, Takahiko Endo, Yasumitsu Miyata, Rikuto Abe, Hiroyuki Nishidome, Sota Nakamura, YoheiYomogida, Kazuhiro Yanagi
  • 学会等名: he 64th Fullerenes-Nanotubes-Graphene General Symposium
• [学会発表] Out-of-plane heat and electrical flows in semiconducting single-walled carbon nanotube films with sp3 defects (2022)
  • 著者名/発表者名: Kan Ueji, Yohei Yomogida, Takashi Yagi, Jana Zaumseil, Kazuhiro Yanagi
  • 学会等名: MNC 2022: 35th International Microprocesses and Nanotechnology Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Synthesis of relatively small-diameter WS2 nanotubes by sulfurization of poly(ethylene glycol) treated thin tungsten oxide nanowires (2022)
  • 著者名/発表者名: Md. Ashiqur Rahman, Yohei Yomogida, Kan Ueji, Mai Nagano, Ryoga Tanaka, Yasumitsu Miyata and Kazuhiro Yanagi
  • 学会等名: MNC 2022, 35th International Microprocesses and Nanotechnology Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Thermal Conductivity of Single-walled Carbon Nanotube Films in Vertical Electrolyte-gated Transistors (2022)
  • 著者名/発表者名: Kan Ueji, Nobuhiro Muto, Daniel Heimfarth, Yuya Matsuoka, Yota Ichinose, Yohei Yomogida, Takashi Yagi, Jana Zaumseil, Kazuhiro Yanagi
  • 学会等名: NT22: The 22nd International Conference on the Science and Applications of Nanotubes and Low-Dimensional Materials
  • 国際学会
• [学会発表] Relationships between carrier density and thermal conductivity of single wall carbon nanotube thin films (2022)
  • 著者名/発表者名: Kazuhiro Yanagi
  • 学会等名: A3 symposium
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Ultra-Low Thermal Conductance across Hetero-Structured Four-Layered Van Der Waals Materials (2022)
  • 著者名/発表者名: Kazuhiro Yanagi
  • 学会等名: ECS meeting
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 格子不整合二次元ナノ界面における 熱・電荷輸送の相関の解明と制御 (2022)
  • 著者名/発表者名: 朝鳥祥史郎、中村颯太、中西勇介、宮田耕充、蓬田陽平、上治寛、八木貴志、柳和宏
  • 学会等名: 2.5次元領域会議
• [学会発表] Out-of-plane heat and electrical flows in semiconducting single-walled carbon nanotube film (2022)
  • 著者名/発表者名: Kan Ueji, Yohei Yomogida, Takashi Yagi, Jana Zaumseil, Kazuhiro Yanagi
  • 学会等名: ICOT2022: International Conference on Organic and Hybrid Thermoelectrics
• [学会発表] sp3欠陥を有する半導体型単層カーボンナノチューブ薄膜の面直方向の熱・電気特性 (2022)
  • 著者名/発表者名: 上治 寛， 蓬田 陽平, 八木 貴志, Zaumseil Jana, 柳 和宏
  • 学会等名: 第８３回応用物理学会秋期学術講演会