複合原子膜積層系の液相形成と 層間相互作用エンジニアリング 野内 亮 大阪府立大学 ナノ科学・材料研究センター 応用班・公募研究

前期：ゲート制御型 端選択的 グラフェン光酸化 グラフェンの光酸化反応をFETでオンオフ制御 負ゲート電圧でのみ端からグラフェン光酸化が進行 Highly doped Si 300-nm-thick SiO2 Drain current: ID Drain voltage: VD A Gate Voltage: VG Cr/Au UV Ramanマッピング VG = −60 V、 20分の照射後 負ゲート電圧でのみ端からグラフェン光酸化が進行 [Mitoma, Nouchi, APL 103, 201605 (2013).] 2

電流オンオフ比（室温）の向上 半導体化に成功 前期：ナノリボン化への展開 ゲート制御された端選択的な光酸化反応 [Mitoma, Nouchi, APL 103, 201605 (2013).] Si/SiO2 A UV nanoESCA 物性班 永村氏 C-O 強度 [a.u.] 286.133 eV 束縛エネルギー [eV] C-C 284.530 eV 端から中へ（狭細化） オンオフ比：３  グラフェンのナノリボン化 VD = 5 mV 室温 処理条件： VG = −60 V, VD = 20 mV, 室温27℃, 相対湿度60%（水蒸気量15 g/m3） 負ゲート、高湿環境、 ある程度のドレイン電圧 オンオフ比：５０ 電流オンオフ比（室温）の向上 半導体化に成功 3

界面でフェルミ準位が動かない（ピニング） 中間報告書：電極接合におけるエッジ効果 電荷注入障壁 ΦBn = Φ – χ  𝑺≡ 𝒅ΦBn 𝒅Φ =𝟏 （正孔に対してはΦBp = χ + EG – Φ） VL 仕事 関数iiiiΦ VBM CBM EF 金属 半導体 (n型) 電子 親和力iiiiiχ ΦBn バンド ギャップiiiiiiEG VL: 真空準位 CBM: 伝導帯下端 EF: フェルミ準位 VBM: 価電子帯上端 二層グラフェンにバンドギャップを導入するには、層間にポテンシャル差を導入すれば良いわけですが、主に2つの方法が知られています。 ダブルゲート構造による高強度縦方向電場の印加と、表面吸着子からの界面電荷移動です。 後者の界面電荷移動は、通常のデバイスでも電極接合ではほぼ必ず起こっているわけですが、電極接合に伴う二層グラフェンのバンドギャップ形成はこれまで実験的に調べられていませんでした。 この成果は、それを実験的に確認しましたよ、というものです。 実際は 𝑺<𝟏 (Siでは  0.1) 界面でフェルミ準位が動かない（ピニング）

↓ ↓ 電極接合にとって素性が良い原子膜材料 制御性の良い電極接合が形成可能 Si 層状物質 界面準位 界面準位へEFが揃ってしまう VBM CBM EF 金属 半導体 (n型) ファンデルワールス ギャップ ファンデルワールス ギャップ 表面ダングリングボンドの存在 ↓ 電極接合部の界面準位密度：高 フェルミ準位ピニング：強 結合手は層内で完結 ↓ 電極接合部の界面準位密度：小 フェルミ準位ピニング：弱 界面準位へEFが揃ってしまう 制御性の良い電極接合が形成可能 5

高集積化：短チャネル化＋狭チャネル化  端の影響大 端起因準位（エッジ状態）の影響  チャネル幅依存性 Gate Insulator A チャネル幅 端：層状物質で唯一ダングリングボンドの影響が強い部分  電極界面準位  フェルミ準位ピニング 電荷中性条件 VBM CBM EFb EFe 端 端のフェルミ準位 面内のフェルミ準位 VBM CBM EF 熱平衡状態 端 障壁高さの増大… 二層グラフェンにバンドギャップを導入するには、層間にポテンシャル差を導入すれば良いわけですが、主に2つの方法が知られています。 ダブルゲート構造による高強度縦方向電場の印加と、表面吸着子からの界面電荷移動です。 後者の界面電荷移動は、通常のデバイスでも電極接合ではほぼ必ず起こっているわけですが、電極接合に伴う二層グラフェンのバンドギャップ形成はこれまで実験的に調べられていませんでした。 この成果は、それを実験的に確認しましたよ、というものです。

狭チャネル化による電荷注入障壁増大を確認 金電極 多層MoS2 不純物濃度 狭チャネル化による電荷注入障壁増大を確認 二層グラフェンにバンドギャップを導入するには、層間にポテンシャル差を導入すれば良いわけですが、主に2つの方法が知られています。 ダブルゲート構造による高強度縦方向電場の印加と、表面吸着子からの界面電荷移動です。 後者の界面電荷移動は、通常のデバイスでも電極接合ではほぼ必ず起こっているわけですが、電極接合に伴う二層グラフェンのバンドギャップ形成はこれまで実験的に調べられていませんでした。 この成果は、それを実験的に確認しましたよ、というものです。 端終端による端状態 そのものの低減が必要 [R. Nouchi, J. Appl. Phys. 120, 064503 (2016).]

今期：液相剥離原子膜の表面制御による複合化 転写：基礎研究には良いが非効率、合成：二層系まで 目標：溶液ベースの簡便な複合化手法の開発 分子長による層間相互作用変調 SiO2 Si O シランカップリングによる基板への固定化 チオールによるカルコゲナイドの固定化 チオールによるカルコゲナイド同士の固定化 ジチオール分子 （チオール＋チオール） メルカプトシラン分子 （チオール＋シラン） 複層化 形成位置の制御 目標：溶液ベースの簡便な複合化手法の開発 8

国際共同研究：江田先生（シンガポール国立大） ジチオール添加  MoS2複合体の形成 1,8-octanedithiolを10 μmol 添加 ヒドロゲル化 HS SH MoS2 の分散液 0.5 mL ジチオール（HS–R–SH）添加の場合のみネットワーク形成 Benzenethiol 1,4-Benzenedithiol 国際共同研究：江田先生（シンガポール国立大） 液層剥離MoS2分散液の提供 [G. Eda et al., Nano Lett. 11, 5111 (2011).] 9

半導体性が回復するがバインダー分子が分解 基本は1T-MoS2  加熱処理の影響は？ 半導体性が回復するがバインダー分子が分解  複合体形成前の加熱処理が必要 10

今期：今後の計画 領域内共同研究の可能性：上野先生 Au等の金属 MoS2で一定の進展有れば… 様々なカルコゲン元素含有層状結晶 半導体性 p++-Si SiO2 Si O 半導体性 金属性 領域内共同研究の可能性：上野先生 MoS2で一定の進展有れば… 様々なカルコゲン元素含有層状結晶 11