【研究領域課題番号】18K19068 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

炭素同素体 / 二原子炭素 / ヨウ素 / 超原子価 / 反応機構 / 超原子価ヨウ素 / フラーレン / カーボンナノチューブ / ラジカル / グラフェン / グラファイト / 四重結合 / ハロゲン

【研究成果の概要】

高い反応性を示す中間体には、その構造・物性・反応性について、今日でもよくわかっていないものが数多く存在します。その中で、特に二原子炭素（C2）は化学結合の本質的理解や炭素同素体の生成機構、生命の誕生の謎に関わる重要な研究対象です。本研究を通じて我々は、三価の超原子価アルキニルヨーダンを用いることにより、非常に温和な条件でC2を発生できることを初めて明らかにしました。溶液中の反応性から、C2は炭素間に四重結合性があること、フラーレン、カーボンナノチューブ、グラファイトなどの様々な炭素同素体を低温で生成することを見出しました。

【研究の社会的意義】

今回の新しい反応を実現することにより、これまで発生方法が過酷な条件（3500℃以上の高温下等）に限られていたため、性質が謎に包まれていた基底状態のC2のユニークな物理化学的性質を明らかにすることができました。これには炭素では初めての四重結合性を証明できたことが含まれており、化学の教科書に新しい１ペー ジを書き加えることができる成果です。また本研究を通じて、これまで機構が不明であった炭素同素体の生成機構の一部が明らかになり、炭素の材料科学への新しいアプローチを提供できたという観点でも意義深いと考えられます。

【研究種目】挑戦的研究(萌芽)

【研究期間】2018-06-29 - 2021-03-31

【配分額】6,370千円 (直接経費: 4,900千円、間接経費: 1,470千円)

【研究分野】物性Ⅱ

【研究領域課題番号】17H02925 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

物性物理 / 低温物性 / ヘリウム / 超流動 / 弾性 / 量子相転移 / グラファイト / 窒化ホウ素 / ヘリウム薄膜 / 水素 / 超固体 / グラフェン / 薄膜

【研究成果の概要】

2次元量子多体系であるグラファイト(Gr)表面上ヘリウム(4He)薄膜の弾性率が低温で増大する「弾性異常」を発見し、更に吸着第2層で超流動と剛性が共存することを示唆する結果を得た。弾性異常の存在から、Gr上He薄膜が他He薄膜と同様に、局在状態と空間的に拡がった励起状態を有し、吸着量の増加による超流動の発現は局在状態と拡がった状態間の「量子相転移」と解釈できることを明らかにした。これはヘリウム薄膜の諸性質が「量子相転移」描像で普遍的に理解できることを示す重要な成果である。また六方晶窒化ホウ素(hBN)表面上4He薄膜の弾性と超流動性がGr上薄膜と定性的に同様の挙動を示すことも明らかにした。

【研究の社会的意義】

グラファイト(Gr)上ヘリウム(He)薄膜は最も古くから知られる2次元系であるが、近年の2次元系研究潮流の中で改めて注目されている。特に超流動固体や量子スピン液体などの新奇量子相の発現が期待される。本研究は弾性測定によりHe薄膜のエネルギー構造を解明するというユニークなアプローチで、局在状態と拡がった状態間の量子相転移描像が他のHe薄膜同様に成り立つことを明らかにした。また超流動性と剛性の共存を示唆する結果を得ており、超流動固体や量子液晶の新しい例として学術的重要性は高い。さらに六方晶窒化ホウ素表面上He薄膜の実験を初めて行い、新しい2次元量子多体系を開拓しつつある。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2017-04-01 - 2020-03-31

【配分額】19,370千円 (直接経費: 14,900千円、間接経費: 4,470千円)

【研究分野】物性Ⅱ

【研究領域課題番号】15K05159 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

グラフェン / グラファイト / ジグザグ端状態 / スピン偏極ジグザグ端状態 / 走査トンネル顕微/分光法 / 電気伝導度測定 / 電気輸送特性

【研究成果の概要】

水素プラズマを用いたエッチングによって、グラファイト表面やグラフェンに六角形ナノピットを自在に作成する技術を確立した。このときナノピットの端は原子スケールで清浄なジグザグ端であることも分かった。このジグザグ端を用いて、端に局在した状態とグラフェンに特有のゼロ指数ランダウ準位の関係を明らかにするとともに、ジグザグ端で挟まれたナノリボンでは端状態がスピン偏極することを明瞭に示すことに成功した。またジグザグ端ではバレー間散乱が抑制されるため、電気伝導度には不定形ナノピットを有するグラフェンに観測されるような弱局在効果が現れないことが分かった。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2015-04-01 - 2018-03-31

【配分額】4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円)

【研究分野】物性Ⅱ

【研究領域課題番号】22244045 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

超伝導 / 金属ドーピング / フェナセン系有機分子 / グラフェン / グラファイト / 二次元層状分子 / 圧力効果 / キャリアドーピング / トランジスタ / 二次元層状物質 / 有機炭化水素 / 炭素系物質 / 有機芳香族分子 / アニーリング / 電気化学反応 / 高圧合成 / 電界効果キャリア注入 / 炭素系分子 / 芳香族炭化水素超伝導 / 化学ドーピング / 電界効果ドーピング / 構造 / 電子状態

【研究成果の概要】

多環縮合炭化水素分子固体に対して、アルカリ金属原子を挿入することによる超伝導相の作製と、電界効果によって電気的な特性を制御することを目指した。アルカリ金属原子の挿入のためには、通常の高温加熱法のほかに、液体アンモニア法、電気化学的な手法を用いた。また、金属ドーピングならびに電界効果、電気化学金属ドーピングについては、有機芳香族系をグラフェン、グラファイト系、さらに、二次元層状無機物質にも拡張した。その結果、ピセン系で、18.5％の超伝導体積分率の超伝導試料を得ることに成功し、ゼロ電気抵抗の観測、圧力による超伝導転移温度の上昇を観測した。また、多様な金属挿入系超伝導相を得ることに成功した。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2010-04-01 - 2015-03-31

【配分額】46,540千円 (直接経費: 35,800千円、間接経費: 10,740千円)

【研究分野】物性Ⅱ

【研究領域課題番号】22244042 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

単原子層 / 量子液体・固体 / 超低温物理 / STM / LEED / グラファイト / 量子流体・固体 / 低温物性 / 表面構造解析 / 走査トンネル分光 / 単原子膜 / グラフェン

【研究成果の概要】

グラファイト表面に吸着したヘリウム3（3He）とヘリウム4（4He）の1原子層目と2原子層目の量子状態相図を比熱測定から研究し、従来の理論予想を覆し、2次元3He が超低密度の液体に自己凝集すること、3He と4Heの2層目に１層目に対して整合な固体相が存在することを発見した。後者は、恐らく零点格子欠陥を含む新奇な量子固体と考えられる。
グラファイト表面に吸着したクリプトンの1層目整合固相の初めてのSTM観測に成功し、吸着サイトが炭素ハニカム格子の中心であることを特定した。また、希釈冷凍機温度で作動するLEED装置開発のための詳細設計を行った。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2010-04-01 - 2013-03-31

【配分額】46,930千円 (直接経費: 36,100千円、間接経費: 10,830千円)

【研究分野】物性Ⅱ

【研究領域課題番号】19340095 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

分子性固体・有機導体 / グラファイト / 電界効果トランジスタ / メゾスコピック系 / グラフェン / ディラックフェルミオン / 負の層間磁気抵抗 / ゼロギヤップ伝導体 / ランダウ準位 / 超薄膜グラファイト / パルス磁場 / 磁場誘起電子相転移 / 層間磁気抵抗

【研究成果の概要】

理想的な多層Dirac電子系における負の層間磁気抵抗現象の発現を理論的に導き、有機導体α-(BEDT-TTF)2I3 におけるDirac 電子系実現を裏付けた。多層グラファイトについて負の層間磁気抵抗現象を実験的に見出し、H点付近の正孔が持つ3次元Dirac 粒子的な性格により実験結果を説明した。単層~少数層グラファイト薄膜FET 構造の作製には成功したが、系統的な物性実験は今後の課題となった。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2007 - 2008

【配分額】19,240千円 (直接経費: 14,800千円、間接経費: 4,440千円)