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化学気相蒸着法による遷移金属ダイカルコゲナイドの作製

2次元物質である遷移金属カルコゲナイド(TMDC)はグラファイトと同じ層状構造を形成しています。 TMDCは遷移金属とカルコゲン原子の組み合わせにより金属、半導体、超伝導と幅広い物性を示すことから電子デバイスへの応用を目指した研究が盛んに行われています。

当研究室では世界にはないオリジナルの流路分離型CVD装置を開発して(図1)、様々なTMDCの合成に取り組んできました。この装置を用いて様々なことに挑戦しています。

図1 開発した流路分離型CVD装置

研究内容1. 三角ドメインの一軸配向成長

TMDCを実用材料として用いるためには、ドメインの結晶方位が揃った薄膜を合成する必要があります。我々は独自のCVD装置を利用し、合成条件を精密に制御することでドメインを配向成長させることに成功しました。現時点ではMoS2およびTaS2で一軸配向成長に成功しています(図2)。
図2 一軸配向成長したMoS2とTaS2

研究内容2. 混晶系TMDCの合成

TMDCに利用できる遷移金属を図3の周期表に示しています。遷移金属を組み合わせて混晶系材料を合成することができれば、バンドギャップや電気伝導率の制御が可能になります。CVD装置のラインを増設し、いくつかの原料を同時に供給できるようにすることで様々な混晶系に対応することが可能です。現在はMo1-xNbxS2混晶系の合成に力を入れています。
図3 TMDCに利用される遷移金属

研究内容3. 縦型CVD装置による大面積TMDCの合成

図1で示すように、これまでは横型CVD装置を用いてTMDCの合成を行ってきました。横型は設置が容易である反面、内部で対流が発生する・原料濃度が均一でないという欠点がありました。その欠点を克服して大面積TMDCを合成するために、縦型CVD装置を開発しました。現在はMoS2およびSnS2の大面積膜の合成を目指して研究を進めています。

最近の関連論文

  • Takashi Yanase, Miu Ebashi, Kotaro Takamure, Wataru Ise, Hiroki Waizumi, Akira Chikamatsu, Yasushi Hirose, Toshihiro Shimada  "Unidirectional growth of epitaxial tantalum disulfide triangle crystals grown on sapphire by chemical vapour deposition with a separete-flow system" CrystEngComm 26, 342 (2024).
  • Takashi Yanase, Fumiya Uehara, Itsuki Naito, Taro Nagahama, Toshihiro Shimada "Healing sulfur vacancies in Monolayer MoS2 by High-pressure sulfur and selenium annealing: implication for high-performance transistors" ACS Appl. Nano Mater. 10, 10462 (2020). 
  • Takashi Yanase, Sho Watanabe, Fumiya Uehara, Mengting Weng, Taro Nagahama, Toshihiro Shimada "Synthesis of Mo1-xNbxS2 thin films by separate-flow chemical vapor deposition with chloride sources" Thin Solid Films 649, 171 (2018).
  • Takashi Yanase, Sho Watanabe Mengting Weng, Makoto Wakeshima, Yukio Hinatsu, Taro Nagahama, Toshihiro Shimada  "Chemical Vapor Deposition of NbS2 from a Chloride Source with H2 Flow: Orientation Control of Ultrathin Crystals Directly Grown on SiO2/Si Substrate and Charge Wave Transition" Cryst. Growth Des. 16, 4467 (2016).

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