2022 Fiscal Year Annual Research Report
Development of Novel Physical Properties with 2.5 Dimensional Structures
| Project Area | Science of 2.5 Dimensional Materials: Paradigm Shift of Materials Science Toward Future Social Innovation |
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| Project/Area Number |
21H05236
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
越野 幹人 大阪大学, 大学院理学研究科, 教授 (60361797)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
高村 由起子 (山田由起子) 北陸先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 教授 (90344720)
笹川 崇男 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 准教授 (30332597)
蒲 江 名古屋大学, 工学研究科, 助教 (00805765)
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| Project Period (FY) |
2021-09-10 – 2026-03-31
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| Keywords | 二次元物質 / グラフェン / 2.5次元物質 / ファンデルワールスヘテロ接合 / トポロジカル物質 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
((1) グラフェン/hBN系におけるモアレフォノン、ツイスト二層グラフェンにおけるモアレ周期乱れの効果についての理論研究をおこなった。またモアレ理論を新物質へ拡張し、トポロジカル絶縁体ツイスト積層における1次元界面状態を見出した。また実験グループとの共同研究により、2次元NbSe2が、2次元強磁性体V5Se8とのvdW界面で自発的なスピン分極を持つ強磁性基底 状態を形成することを実証した。
(2)薄膜成長装置に新たにイオン銃を導入することでセンチメートルスケールのZrB2薄膜上シリセン/六方晶窒化ホウ素試料を作製する目処がついた。また、グローブボックスを導入することで移送時の大気曝露を抑制した試料の原子分解能顕微鏡観察が可能となるなど装置整備が進んだ。国際共同研究により、新たに正方格子のIV族単元素二次元材料の安定性と物性を第一原理電子状態計算より明らかにした。
(3)新奇物性を示す2.5次元物質の開拓：種々の van der Waals 層状物質について高品質な単結晶の開発を推進した。それらを用いて2.5次元ヘテロ積層構造体を作製する技術も領域内共同研究として開発した。その技術を活用することにより、トポロジカル半金属として知られる WTe2を対象にして、自然には存在しない van der Waals 積層様式をもつ2.5次元物質を創製し、その電子構造も領域内共同研究で解明することに成功した。
(4) 2.5次元物質において歪みによるモアレ制御技術の構築 : 歪み効果を導入したヘテロ構造の作製技術を確立し、ピエゾAFMによりモアレパターンの直接観測を可能にした。これにより、歪み強度・方位を変調することで、モアレパターンの連続的な構造制御に成功し、既存手法では作製できないような対称性や次元性を有するモアレ超格子を実現した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
モアレ理論によるフォノンの記述が可能になった。同時に従来のモアレ系を超え、トポロジカル絶縁体のツイスト系の理論が発展した。また、領域内の共同研究が進み、高品質な単結晶（笹川）を用いた2.5次元ヘテロ積層構造体や、シリセン/六方晶窒化ホウ素試料の作製が可能となった。
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| Strategy for Future Research Activity |
2.5次元モアレ準周期物質の基礎物性理論の構築を行うととともに、多様な物質材料の高品質な2.5次元物質の作成、物性制御技術 の開発に取り組む。具体的な目標は以下の通りである。
(1) 2.5次元物質の物性理論の構築: モアレ2層系を超えて、モアレツイスト3層系の物性理論を確立する。具体的には3層系のモアレ・オ ブ・モアレ構造における格子緩和を明らかにし、緩和構造下での電子状態計算する。
(2) 3次元物質+2次元物質=2.5次元物質の創製と新奇構造・物性開拓:非平衡プロセスを介して三次元物質である単結晶基板上にの み形成しうる準安定二次元物質(2.5次元物質)の成長を行う。
(3)3次元から迫る2.5次元物質の量子物性開拓:多種多様なvdW単結晶素材を開発・蓄積し、2.5次元物質の 量子物性開拓に3次元から迫る。トポロジカル・ジョセフソン接合の実現に向けたvdW超伝導体や、トポロジカル・シフト電流の評価に向けたv dW絶縁体の開発に特に注力する。
(4) 2.5次元物質のモアレ制御による光機能デバイス : 多様な2.5次元ヘテロ構造の光学特性の解明と光デバイスの作製を行う。特に、前 年度に確立した歪み効果を導入したヘテロ・モアレ子超格子において、顕微・分光測定により、構造制御と電子構造変化 及び偏光特性の相関を実験・理論両面から理解を行う。
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