原子厚の半導体材料を自在に接合――遷移金属ダイカルコゲナイドの新たな合成技術を開発 筑波大学ら

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(a)同研究で開発した化学気相成長装置の模式図。異なる遷移金属とカルコゲン元素を含む4種類の原料を基板上に連続的に供給することができる。(b)異なる組成のTMDの結晶を連続的に成長させる様子。

筑波大学は2019年6月21日、首都大学東京と共同で、遷移金属ダイカルコゲナイド(TMD)の新たな合成技術を開発したことで、1原子レベルで組成が変化する半導体原子層の接合構造を実現、その構造と電気的性質を解明したと発表した。

TMDは、遷移金属原子とカルコゲン原子の組み合わせにより半導体から金属、そして超伝導体など、さまざまな性質を示す。今回、研究グループは、原子層半導体へテロ接合の作製と電子状態の研究を進め、液体原料を連続的に供給できる装置を作製し、化学気相成長法で試料を合成した。

新装置により、単層のMoS2、WS2、WSe2、MoSe2を含む4種類の異なるTMDを用いたヘテロ構造の合成に成功。研究者らは、走査トンネル顕微鏡(STM)を用いて1原子レベルで組成が急峻に変化していることを確認した。また、その接合界面で電気的性質をSTMと第一原理電子状態計算によって明らかにした。

研究グループは、このような原子層の半導体ヘテロ接合を使うことで、電子の流れや発光/吸収波長の制御、非常に小さな電力で動作する電子デバイス/光デバイス、高効率なエネルギー変換素子などへの応用が期待できるとしている。

単層TMD(左)とTMDの接合構造模式図(右)

組成の切り替わり領域の原子像(左)と電気的性質の変化(右)

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