原子層を重ねた「モアレ模様」の活用で新構造の原子層結晶を創製～機能性２次元材料の探索に道～

2023-10-25

202-10-25 東北大学

大学院理学研究科物理学専攻　准教授菅原克明

材料科学高等研究所　教授佐藤宇史

【発表のポイント】

分子線エピタキシー法^（注^1）により、グラフェン^（注^2）上に原子3個分の厚さしかない2テルル化モリブデン（以下、MoTe₂）原子層薄膜^（注^3）を作製しました。
原子層MoTe₂がグラフェンに対して自然に30度回転して成長することで、結晶格子にモアレ模様^（注^4）が現れることを見出しました。
モアレ模様を活用することで、通常は安定して存在しないゆがみのない正八面体型1T構造を持つMoTe₂原子層の作製に初めて成功しました。
モアレ模様を活用した新しい原子層材料の創製法を提案しました。

【概要】

2018年に、蜂の巣格子状の炭素2次元シートであるグラフェンを2層積み重ねて一方を1度ひねるだけで、その性質が半導体から超伝導体に変化するという驚くべき報告が米国の研究グループからなされました。この劇的な性質の変化には原子層どうしをひねることで結晶格子に生じるモアレ模様が関与しているためだとわかりました。その報告以降、原子層を重ねてモアレ模様を作り、多彩な物性を実現するための研究が世界中で爆発的に進展しています。

東北大学大学院理学研究科の菅原克明准教授と材料科学高等研究所（以下、WPI-AIMR）の佐藤宇史教授らの研究グループは、WPI-AIMRの岡博文助教、大学院理学研究科の福村知昭教授らと共同で、分子線エピタキシー法を用いてMoTe₂の原子層薄膜をグラフェン上に作製し、電子構造（電子状態）^（注^5）をマイクロ角度分解光電子分光^（注^6）と走査トンネル顕微鏡^（注^7）を用いて調べました。その結果、グラフェンと30度回転して成長するMoTe₂の積層によって生じるモアレ模様を活用することで、通常は安定して存在しないはずの正八面体型1T構造を持つMoTe₂原子層を作製することに初めて成功しました。

今回の成果は、「結晶構造は変化しない既知の原子層どうしをひねる」という、これまで広く用いられているモアレ模様の活用法とは異なり、「成長時に自然とできたモアレ模様によって新しい原子層結晶を創製する」という新しい発想のモアレ模様の活用法を提案するものです。今後この方法を他の原子層材料にも適用することで、新機能性の探索が格段に進むと期待されます。

本研究成果は、科学雑誌Advanced Scienceに2023年10月22日（現地時間）にオンライン掲載されました。

図1.　2枚のグラフェンをひねり角（a）q = 5°、（b）q = 10°、（c）q = 20°で重ねた際のモアレ模様。

【用語解説】

注1　分子線エピタキシー法：
超高真空槽内に設置したいくつかの蒸着源（材料）を加熱などにより蒸発させ、対向した基板上に薄膜を堆積させる手法です。膜厚を原子レベルで制御した高品質な単結晶薄膜が作製できます。

注2　グラフェン：
炭素原子が蜂の巣格子上に配列した2次元シート材料のことで、炭素原子1個の厚さしかありません。

注3　原子層薄膜：
原子数個程度の1 nm（ナノは1 mmの10の-6乗）以下の厚さしか持たず、2次元的に広がったシート状物質の総称です。原子層薄膜で最も有名なものは、炭素が2次元の蜂の巣状に並んだグラフェンです。

注4　モアレ模様：
特定のひねり角で2枚の層を重ね合わせることで視覚的に現れる干渉模様のことです。テレビで横縞模様が映ったり、「すだれ」がわずかにずれて重なったりすることで、日常でも見られます。

注5　電子構造（電子状態）：
固体中の電子は、特定の運動量（質量と速度の積）とエネルギーを持つことが知られています。固体中における電子の運動量とエネルギーの関係で描き出された構造を、電子エネルギーバンド構造、または単に「バンド構造」と呼びます。バンド構造は物質の結晶構造や構成元素によって様々に変化するため、それに伴って電気伝導や磁性などの物質固有の性質が決まります。

注6　マイクロ角度分解光電子分光：
物質の表面に紫外線やX線を照射すると、表面から電子が放出されます（外部光電効果）。放出された電子は光電子と呼ばれ、その光電子のエネルギーや運動量を測定することで、物質中の電子状態がわかります。その測定手法を角度分解光電子分光と呼びます。また、その光（放射光）のスポットサイズを10 μm程度に絞って精密観測する装置をマイクロ角度分解光電子分光装置と呼びます。

注7　走査トンネル顕微鏡：
先が非常に鋭い探針（プローブ）を試料表面に接近させ、プローブと試料表面間に電圧をかけると、両者間にトンネル電流が流れます。この微少なトンネル電流の空間分布を観測することで、表面形状や局所電子状態を観測する実験手法です。

詳細（プレスリリース本文）