電気的な偏りのない2次元結晶を重ねるだけで面内に電荷の偏りと光発電機能を実現

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2次元物質界面における新たな機能性の開拓

2021-04-02 東京大学,理化学研究所,科学技術振興機構

ポイント
  • 極性を持たない2次元結晶を重ねて界面(2つの2次元結晶の境界)を作製するだけで、面内に電気分極が発現し、それを反映して室温で巨大な光起電力効果が生じることを発見した。
  • 観測された光起電力効果が、従来の半導体接合構造を必要としない光起電力効果であり、量子力学的な機構によって説明できることを明らかにした。
  • 2次元界面における物性開拓への新しい可能性を見いだした。

東京大学 大学院工学系研究科の井手上 敏也 助教、同研究科の岩佐 義宏 教授(理化学研究所 創発物性科学研究センター 創発デバイス研究チーム チームリーダー 兼任)らの研究グループは、同研究科の森本 高裕 准教授らのグループや南京大学、物質・材料研究機構、ブリティッシュコロンビア大学のグループと共同で、2種類の異なる2次元結晶(WSeと黒リン)を重ねて作製した界面において、面内に電気分極とそれを反映した巨大な光起電力効果が生じることを発見した。

層状物質から剥離した、原子層1枚、あるいは数枚だけからなる2次元結晶は、元の物質とは全く異なる性質を示すことに加えて、剥離した2次元結晶同士を貼り合わせるだけで新しい2次元界面を作製でき、予想外の物性や機能性が発現することから、近年大きな注目を集めている。これらの界面は、貼り合わせる物質の種類とはほぼ無関係に作製できるという点でこれまでの2次元界面の常識を大きく破っており、作製した界面では、元の結晶にはないさまざまな特徴的構造が現れて、物性に大きく影響を与える場合がある。

本研究では、2次元結晶界面において初めて面内の極性構造に着目して、2つの異なる2次元結晶を重ねて界面の対称性を制御することで、面内に電気分極を実現するとともに、分極に由来する自発的な光起電力効果(バルク光起電力効果)を観測することに成功した。さらに、光電流の詳細な振る舞いを調べ、観測されたバルク光起電力効果が、電子の量子力学的な波束の重心位置が光照射によって空間的に変化するという機構によって説明できることを見いだした。

本研究成果は、2次元結晶界面における新たな対称性制御の指針を与えるものであり、2次元結晶界面の機能性開拓をさらに推進する契機となるだけでなく、結晶の持つ周期性が失われた物質における電気分極や光起電力効果といった現象の探索に重要な知見を与えるものと期待される。

本研究成果は2021年4月2日(米国東部夏時間)、米国科学雑誌「Science」に掲載される。

本研究は、JST 戦略的創造研究推進事業 さきがけ 研究領域「トポロジカル材料科学と革新的機能創出」における研究課題「ファンデルワールス結晶の対称性制御とトポロジカル非線形輸送」(研究者:井手上 敏也)および「トポロジカル物質の非線形応答および非平衡現象の理論的研究」(研究者:森本 高裕)の支援を受けて行われた。

詳しい資料は≫

<論文タイトル>
“A van der Waals interface that creates in-plane polarization and a spontaneous photovoltaic effect”
DOI:10.1126/science.aaz9146
<お問い合わせ先>

<研究に関すること>
井手上 敏也(イデウエ トシヤ)
東京大学 大学院工学系研究科附属 量子相エレクトロニクス研究センター 助教

岩佐 義宏(イワサ ヨシヒロ)
東京大学 大学院工学系研究科附属 量子相エレクトロニクス研究センター 教授

<JST事業に関すること>
嶋林 ゆう子(シマバヤシ ユウコ)
科学技術振興機構 戦略研究推進部 グリーンイノベーショングループ

<報道担当>
東京大学 大学院工学系研究科 広報室
理化学研究所 広報室
科学技術振興機構 広報課

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