表面に集まるゲルマニウム原子がゲルマネン合成の鍵 ―加熱か冷却かで「粒」か「シート」かが決まる原理を解明、量子ビット材料探索に貢献―

2026-04-23 日本原子力研究機構,東京大学生産技術研究所,ファインセラミックスセンター

日本原子力研究開発機構、東京大学、ファインセラミックスセンターの研究チームは、原子一層材料ゲルマネンの形成機構を解明した。銀薄膜上での加熱・冷却過程をラマン分光とX線光電子分光で追跡した結果、300℃加熱時には粒状ゲルマニウムが生じるが、500℃まで加熱すると粒は消失し、冷却過程で表面にゲルマニウム原子が集積してシート状のゲルマネンが形成されることを発見した。特に、500℃を経る「温度履歴」が構造選択を決定し、原子の移動距離と表面濃度の変化が鍵であることを明らかにした。本成果により、経験則に頼っていた合成条件に設計指針が与えられ、量子ビット材料候補であるゲルマネンの安定作製が可能となる。さらに他の原子層材料開発にも応用が期待される。

表面に集まるゲルマニウム原子がゲルマネン合成の鍵 ―加熱か冷却かで「粒」か「シート」かが決まる原理を解明、量子ビット材料探索に貢献―
図1ゲルマニウム原子が表面に集まりゲルマネンを形成する流れ(概念図)

<関連情報>

銀薄膜を通した偏析によるゲルマネン形成を、ラマン分光とXPSでその場追跡 In Situ Study of Growth Mechanism of Germanene Segregated through Ag(111) Thin Films by Raman and X-ray Photoelectron Spectroscopy

Tomo-o Terasawa,Daiki Katsube,Masahiro Yano,Takahiro Ozawa,Yasutaka Tsuda,Akitaka Yoshigoe,Hidehito Asaoka,and Seiya Suzuki
Chemistry of Materials  Published: March 10, 2026
DOI:https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.5c03462

Abstract

Germanene, a honeycomb lattice of Ge atoms, has attracted attention for next-generation electronics and as a topological material. Among reported synthesis routes, the segregation method enables reproducible monolayer germanene formation on Ag(111) through simply annealing an Ag(111) thin film on a Ge(111) substrate. Despite this success, the physical origins of its monolayer selectivity and the mechanism for suppressing competing Ge phases remain unclear. Here, we investigate germanene formation via Ge segregation using in situ Raman spectroscopy and X-ray photoelectron spectroscopy to directly track Ge behavior during annealing and cooling. In situ observations revealed that annealing at 500 °C yielded no Ge-related byproducts, and the system reached a high-temperature surface equilibrium state, independent of the initial Ge amount. Cooling from this state produced a Ge-enriched surface that stabilizes the formation of monolayer germanene. In contrast, heating only to 300 °C produced three-dimensional Ge islands without Ge enrichment, followed by Ge–Ag alloy formation upon subsequent cooling. By integrating the temperature-dependent diffusion length and the process-dependent diffusion direction, we established a unified description of Ge behavior on Ag/Ge(111) substrates, in which cooling-induced Ge enrichment at the surface reproducibly stabilizes the selective formation of monolayer germanene.

0703金属材料
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