LEDの発光色を自由にカスタマイズ――2D材料を積層した「人工半導体」を開発

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2D材料を積層することにより、望みの色を発光するカスタマイズされたデバイスを作成する手法が考案された。 © Xavier Ravinet

ジュネーヴ大学とマンチェスター大学の共同研究チームが、原子数個分の厚さの2D材料を積層したヘテロ構造により、任意の色を発光できる半導体デバイスを作成する手法を考案した。遷移金属カルコゲナイドなどの2D材料を組み合わせて積層し、組み合わせや化学成分などでエネルギー準位を制御して様々な波長の色を発光させるというもので、研究成果は2020年2月3日の『Nature Materials』誌に公開されている。

光半導体は、電気通信やLED、医療診断など、広範囲の分野で使われている。この発光現象は、電子が半導体中で高いエネルギー準位から低いエネルギー準位にジャンプする時に生じるもので、発光色、すなわち波長は、エネルギー準位の差によって決定される。グラフェンのような2D材料を用いた発光材料についても近年研究が進んでいるが、特に遷移金属カルコゲナイドのMoS₂、MoSe₂を単原子層まで薄くすると、エネルギー準位間のジャンプが、運動量の変化を伴わない直接遷移になって発光効率が上がることが知られている。

研究チームは、複数の遷移金属カルコゲナイド2D材料を積層したヘテロ構造によって、望みの色を発光できるデバイスの開発にチャレンジした。ファンデルワールス力で結合しているヘテロ構造では、超高速電荷移動により電子と正孔が2つの層で空間的に分離された層間励起子が存在し、光電子効果を発揮することが知られている。このような「人工半導体」の利点は、構成する材料の組み合わせや化学成分、厚さを変えることで、エネルギー準位、従って発光する波長を制御することができる。

研究チームは、エネルギーバンドにおいて伝導帯の極少点と荷電子帯の極大点が、ともに波数ゼロの点に位置する2D結晶の組み合わせに注目した。このような結晶を積層した結果、波数すなわち電子の運動量の変化を伴わずに、直接遷移して強く発光することを確認した。さらに結晶格子定数や積層間の相対的な偏移や回転などのミスマッチの影響を受けにくいことも明らかにした。

研究に用いられた材料には、MoS₂、MoSe₂、WS₂などの、様々な遷移金属カルコゲナイドおよびInSeが含まれている。他にも可能性のある材料が特定されており、組み合わせを多様化した新しい人工的な半導体の構築により、発光する色を広範囲に拡大することができると考えられる。さらに、ヘテロ構造作成に対する厳格な条件が緩和されるので、デバイス製造の自由度が非常に大きくなって、実用性の高い技術に発展する可能性があると期待される。

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