量子材料の発見を加速する研究(Speeding quantum materials discovery)

2025-09-23 オークリッジ国立研究所(ORNL)

米国エネルギー省オークリッジ国立研究所(ORNL)とテネシー大学の研究チームは、2次元モアレ材料の原子構造を可視化・解析する革新的手法を開発した。わずかにねじれた二層の二硫化タングステン(WS₂)を用い、硫黄をセレンに置換した際の原子分布を走査透過電子顕微鏡(STEM)で観察。さらに独自の機械学習モデル「Gomb-Net」により、各層の原子位置とドーパントの局在を自動判別した。その結果、既存理論を覆し、ドーパント位置はモアレパターン内の配置に依存しないことが判明。電子構造の制御精度向上により、量子コンピュータ、半導体、光電子デバイスの性能最適化が期待される。解析法は一般PCでも実行可能で、リアルタイム電子顕微鏡解析への応用も可能。成果は『Nano Letters』誌に掲載。

量子材料の発見を加速する研究(Speeding quantum materials discovery)
On the left is an artistic depiction of a twisted double layer forming a moiré pattern created by overlapping 2D sheets; each layer’s structure is shown separately on the right. Credit: Sumner Harris/ORNL, U.S. Dept. of Energy

<関連情報>

Gomb-Net を使用した二層モアレ材料の原子識別 Atom Identification in Bilayer Moiré Materials with Gomb-Net

Austin C. Houston,Sumner B. Harris,Hao Wang,Yu-Chuan Lin,David B. Geohegan,Kai Xiao,Gerd Duscher,
Nano Letters  Published June 2, 2025
DOI:https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.5c01460

Abstract

Moiré patterns in van der Waals bilayer materials complicate the analysis of atomic-resolution images, hindering the atomic-scale insight typically attainable with scanning transmission electron microscopy. Here, we report a method to detect the positions and identities of atoms in each of the individual layers that compose twisted bilayer heterostructures. We developed a deep learning model, Gomb-Net, which identifies the coordinates and atomic species in each layer, deconvoluting the moiré pattern. This enables layer-specific mapping of atomic positions and dopant distributions, unlike other commonly used segmentation models which struggle with moiré-induced complexity. Using this approach, we explored the Se atom substitutional site distribution in a twisted fractional Janus WS2-WS2(1–x)Se2x heterostructure and found that layer-specific implantation sites are unaffected by the moiré pattern’s local energetic or electronic modulation. This advancement enables atom identification within material regimes where it was not possible before, opening new insights into previously inaccessible material physics.

1700応用理学一般
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