電子顕微鏡と機械学習で2次元原子層材料の微細構造を高精度に解析〜単層MoS2膜のツイストと極性をナノレベルで丸ごと可視化〜

2025-08-25 物質・材料研究機構

NIMSらの研究チームは、走査透過電子顕微鏡(4D-STEM)と機械学習を組み合わせ、次世代半導体材料として注目される単層二硫化モリブデン(MoS₂)膜の微細構造をナノメートルスケールで広範囲かつ高精度に解析する手法を開発しました。これにより、従来識別が困難だった「ツイスト(微小回転)」や「極性(原子配列の向き)」を可視化することに世界で初めて成功。研究では2万点以上の回折パターンを収集し、教師なし機械学習で解析することで、成長条件や欠陥領域の影響を定量的に評価できるようになりました。本成果は最適な成長プロセスの設計や性能劣化要因の解明に直結し、高性能電子デバイス開発を加速させると期待されます。成果は『Small Methods』誌に掲載されました。

電子顕微鏡と機械学習で2次元原子層材料の微細構造を高精度に解析〜単層MoS2膜のツイストと極性をナノレベルで丸ごと可視化〜
図: 4D-STEMと呼ばれる計測法の模式図(xy座標は位置情報、uv座標は回折パターン情報を表している)とMoS2の原子配列観察例、および本研究により一つのツイストドメインの極性を赤と緑で色分けした解析結果

<関連情報>

4D-STEMと非監督型機械学習を用いて、単層MoS2におけるツイストドメインを解明する Unveiling Twist Domains in Monolayer MoS2 through 4D-STEM and Unsupervised Machine Learning

Koji Kimoto, Ovidiu Cretu, Koji Harano, Fumihiko Uesugi, Jun Kikkawa, Kohei Aso, Yoshifumi Oshima, Takashi Matsumoto, Yoshiki Sakuma
Small Methods  Published: 06 August 2025
DOI:https://doi.org/10.1002/smtd.202501065

Abstract

Dichalcogenides, such as molybdenum disulfide (MoS2), are being studied extensively due to their 2D feature and various material properties. Although crystal structures are critical for applications, conventional atomic structure analyses have a limited field of view. In this study, the crystal domains of monolayer MoS2 synthesized by metal–organic chemical vapor deposition (MOCVD) are analyzed using 4D scanning transmission electron microscopy (STEM) and unsupervised machine learning. Twist domains (±11°) are identified through the nonnegative matrix factorization (NMF) and hierarchical clustering of numerous (>22k) diffraction patterns from a wide field of view. Preprocessing for detecting noncentrosymmetry effectively visualizes the polarities of distinct MoS2 domains by highlighting the violation of Friedel’s law in diffraction physics. Analyses reveal that the specimen deposited on Al2O3 (0001) at 850 °C consists of domains measuring ≈100 nm in size and featuring many mirror-twin boundaries. The findings provide valuable insights into optimizing the MOCVD process and elucidating crystal growth mechanisms.

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