次世代半導体「ヤヌス型 2次元シート」における新たな合成メカニズムを発見―高品質な材料創出への道を拓き、量子デバイスや水素エネルギー製造など幅広い分野への応用に期待―

2026-05-01 東北大学

東北大学と筑波大学の研究チームは、ヤヌス型2次元半導体における新たな原子置換メカニズムを解明した。独自のその場観測により、プラズマ由来電子が2Dシート表面に蓄積し、原子間結合を弱めることで室温でも選択的な原子置換が進む「電子蓄積モデル」を発見。さらに光によって電子蓄積を制御し、反応を加速できることも示した。従来不明だった低温での反応機構を明らかにし、高品質なヤヌス型材料の精密制御に道を開いた。本成果は量子デバイスや水素生成触媒など幅広い応用に資する重要な基盤技術となる。

次世代半導体「ヤヌス型 2次元シート」における新たな合成メカニズムを発見―高品質な材料創出への道を拓き、量子デバイスや水素エネルギー製造など幅広い分野への応用に期待―
図1. 本研究の全体概要図(通常の2Dシートとヤヌス型2Dシートの比較)

<関連情報>

ヤヌス型2次元半導体における室温トポタクティック置換を促進する電子蓄積の隠れた役割 Hidden Role of Electron Accumulation in Driving Room-Temperature Topotactic Substitution for Janus 2D Semiconductors

Dingkun Bi,Tianyishan Sun,Weizi Lu,Hiroto Ogura,Yanlin Gao,Mina Maruyama,Susumu Okada,and Toshiaki Kato
ACS Materials Letters  Published: April 20, 2026
DOI:https://doi.org/10.1021/acsmaterialslett.6c00018

Abstract

Understanding atomic substitution in Janus transition metal dichalcogenides (TMDs) is crucial for controlling intrinsic out-of-plane dipoles and electronic asymmetry. Although room-temperature Janus conversion has been reported, the microscopic origin of selective chalcogen replacement remains unclear. Here, we develop an in situ optical–electrical platform enabling correlated Raman and field-effect transistor measurements during plasma-assisted atomic-layer substitution under vacuum. We identify a plasma-electron-assisted room-temperature topotactic reaction, in which electrons accumulate near the TMD surface and at the MoSe2/SiO2 interface, weaken metal–chalcogen bonds, and facilitate hydrogen-assisted substitution. Density functional theory calculations show that excess electron doping lowers bond formation energies. Ultraviolet illumination further enhances electron accumulation and accelerates substitution kinetics. This work experimentally verifies a charge-mediated topotactic substitution mechanism and establishes plasma-electron-assisted synthesis as a route for room-temperature Janus TMD formation.

0403電子応用
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