Design of 2D heterostructures by crystal growth

通过晶体生长设计二维异质结构

• 批准号: 21H01768
• 负责人: 日比野 浩樹
• 金额: $ 11.56万
• 依托单位: Kwansei Gakuin University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21H01768/
• 关键词: 二次元物質; 化学気相成長; グラフェン; 六方晶窒化ホウ素; ヘテロ構造; 結晶成長

我々はこれまで、Cu基板上で、グラフェンと六方晶窒化ホウ素（hBN）を化学気相成長（CVD）させる順序によって、それらの横型と縦型のヘテロ構造を作り分けられることを実験的に示し、その起源が、エッジが水素原子で終端されているかどうかの違いにあることを理論的に解明した。ただし、同様の水素雰囲気下にあるにもかかわらず、エッジ構造に差が出る理由は未解明であった。そこで、第一原理計算に基づきエッジへの水素原子の吸着エネルギーをグラフェンとhBNで比較した。その結果、エネルギー差はファンデルワールス力補正に依存するものの、グラフェン/金属系で広く用いられている補正によって、hBNがグラフェンに比べ水素終端されやすいことが確認された。また、均一な縦型ヘテロ構造の作製への課題となっていたグラフェン成長中のhBNのエッチングを、炭素源ガスとしてCH4の代わりにC2H4を用いることで回避できることを示した。ただし、グラフェンの結晶性がCH4を用いた場合に比べ劣化したため、今後、成長条件の最適化が必要である。絶縁体基板上に2Dヘテロ構造をCVD法で直接成長させるための第一歩として、さまざまな面方位（c面、a面、m面、r面）のサファイア上にグラフェンを直接成長させ、構造と物性を比較した。4種類のサファイア上に成長させたグラフェンはすべて単層で多結晶状態にあったが、その結晶粒サイズは面方位に依存し、m面が最大で、c面が最小であった。この結果は、m面上に成長させたグラフェンが最も高いキャリア移動度を示したこととも整合する。次に、ｃ面とm面上に成長させたグラフェンの成長時間依存性から、それらの成長機構が大きく異なり、ｃ面上ではグラフェン島が徐々に拡大し基板全面を覆いつくす一方、m面上では短時間でグラフェンが基板全面を覆いつくした後、単層のまま結晶粒が拡大することを明らかにした。

I am a hexagonal crystal nitride element (hBN) on a Cu substrate. ) をChemical deuterium phase growth (CVD) させる sequential によって, それらのlateral type と縦type のThe ヘテロ structure is divided into けられることを実験’s に Show, そのgenesis が, and エッジがThe explanation of the hydrogen atom's terminal theory.ただし, 同様の水素Ambience囲気下にあるにもかかわらず, エッジstructural difference が出るreason is not explained yet であった.そこで, first principles calculation of にbased づきエッジへのwater atoms のsorption エネルギーをグラフェンとhBN でした.そのRESULT, エネルギー difference はファンデルワールスPower correction にdepends on するものの, グラフェン/metal system で広く Use the いられているcorrection によって, hBN がグラフェンに比べhydrogen terminal されやすいことがconfirm された.また, uniform な縦 type ヘテロ structure の へのproject となっていたグラフェンgrowing のhBN のエッチングを, carbon source ガスとしてCH4の generation わりにC2H4を use いることでevade できることをshow した. The use of crystalline CH4 in ただし and グラフェンのがた is much worse than that in べべしたため. In the future, it is necessary to optimize the growth conditions. The direct growth of the 2D polyhedron structure on the insulator substrate using the CVD method is the first step and the direction of the surface. (c-side, a-side, m-side, r-side) のサファイア上にグラフェンをDirect growth させ, structure and physical properties した. 4 types of のサファイア上させたグラフェンはすべて単layer polycrystalline state にあったが, そのcrystal grain サイズは face orientation にdepends し, m face がmaximum, c face がminimum であった.このRESULTS は、m surface させたグラフェンが最も高いキャリアmobility をshow したことともintegration する. Time dependence of the growth of the times, the growth of the surface and the m surface, the time dependence of the growth, から, それらのgrowth organizationが大きくdifferentなり、ｃ上上ではグラフェン岛が Xu々に拡大The whole substrate is covered on one side, and the whole substrate is covered in a short time on the m surface. After the surface is coated, the crystal grains of the single layer are large and clear.

项目成果

Comparison of graphene grown on sapphire with different orientations by atmospheric-pressure CVD

常压CVD在不同取向蓝宝石上生长石墨烯的比较

• 发表时间: 2022
• 作者: Y. Kawai;T. Nakao;and H. Hibino
• 通讯作者: and H. Hibino

CVD法により各種面方位のサファイア上に成長させたグラフェンの比較

CVD法在不同面取向蓝宝石上生长石墨烯的比较

• 发表时间: 2022
• 作者: 川合 良知;中尾 拓登;小田 昂到;日比野 浩樹
• 通讯作者: 日比野 浩樹

In-situ X-ray diffraction analysis of GaN growth on epitaxial graphene with AlN buffer layer

具有 AlN 缓冲层的外延石墨烯上 GaN 生长的原位 X 射线衍射分析

• 发表时间: 2021
• 作者: S. Fuke;T. Sasaki;Y. Kawai;and H. Hibino
• 通讯作者: and H. Hibino

Correlation between structures and vibration properties of germanene grown by Ge segregation

Ge偏析生长的锗烯结构与振动特性的相关性

• DOI: 10.35848/1882-0786/ac3185
• 发表时间: 2021
• 期刊: Applied Physic Express
• 作者: S. Mizuno;A. Ohta;T. Suzuki;H. Kageshima;J. Yuhara;and H. Hibino
• 通讯作者: and H. Hibino

c面サファイア上に成長させたグラフェン上におけるGaNリモートエピタキシーのその場XRD解析

c 面蓝宝石上生长的石墨烯上 GaN 远程外延的原位 XRD 分析

• 发表时间: 2022
• 作者: 福家聖也;佐々木拓生;川合良知;日比野浩樹
• 通讯作者: 日比野浩樹