モアレ超格子における集団的滑り運動のメカニズムを解明(Study Reveals Collective Sliding Mechanism in Moire Superlattices)

2026-11-05 中国科学院(CAS)

中国科学院国家ナノ科学センターと物理研究所の研究チームは、二次元材料のモアレ超格子において、層間の集団的な滑り運動が生じるメカニズムを解明した。研究では、二層の二硫化モリブデン(MoS₂)をわずかに異なる角度で重ねた構造を対象に、高精度の機械学習原子間ポテンシャルを用いた分子動力学シミュレーションを実施し、1万個以上の原子の挙動を解析した。その結果、欠陥のない理想的な構造では、室温でも約1m/sの速度で自発的な層間滑りが発生することを発見した。この現象は、ドメイン壁の移動と局所的な原子構造の再配置によって滑り障壁が従来モデルの約100分の1に低下することで説明された。一方、硫黄原子の空孔欠陥が約0.1%存在するだけで、長距離の滑り運動が局所的な振動に変化することも判明した。本成果は、二次元強誘電材料の動的特性の理解を深め、原子欠陥の制御による次世代ナノデバイスや機能性材料の設計に貢献すると期待される。

モアレ超格子における集団的滑り運動のメカニズムを解明(Study Reveals Collective Sliding Mechanism in Moire Superlattices)
Room-temperature spontaneous sliding and sulfur-vacancy-induced pinning in moiré superlattices (Image by ZHANG Jin et al.)

<関連情報>

機械学習によって明らかになった、強誘電体モアレ超格子におけるドメイン壁を介した超低障壁滑りおよびピン止め現象 Domain-Wall-Mediated Ultralow-Barrier Sliding and Pinning in Ferroelectric Moiré Superlattices Revealed by Machine Learning

Jia-Wen Li; Sheng Meng; Xinghua Shi; Jin Zhang; Wei-Hai Fang
Journal of the American Chemical Society  Published:September 30, 2026
DOI:https://doi.org/10.1021/jacs.6c13431

Abstract

Sliding ferroelectrics built from stacked nonpolar monolayers enable out-of-plane polarization and unconventional switching via interlayer sliding, yet the microscopic sliding dynamics remain unclear. Using machine-learning molecular dynamics, we reveal spontaneous, thermally driven interlayer sliding in ferroelectric MoS2 moiré superlattices, with relative velocities on the order of 1 m/s at 300 K. Instead of rigid translation of the entire bilayer, the motion appears as a global drift of the moiré pattern. Such thermally driven sliding is inconsistent with a meV/atom-scale rigid-sliding barrier. In contrast, when constrained relaxation is allowed, the sliding proceeds along an almost barrierless pathway that directly reproduces the global drift of the moiré pattern. Furthermore, sulfur vacancies trigger a sliding-to-pinning transition, with ∼0.1% S vacancies already sufficient to convert the long-range sliding into localized oscillations. This pinning originates from the stacking-dependent vacancy energy, whose minimum at the nodes of domain-wall networks defines pinning centers, as further supported by the dynamical sliding-to-pinning process. Energetic analysis attributes the thermally driven sliding-to-pinning transition to competition between defect-induced pinning and moiré deformation. These results reveal that the sliding process in strongly reconstructed moiré superlattices is governed by a domain-wall-mediated collective reconstruction pathway with an ultralow barrier, rather than rigid layer translation, deepening the understanding of microscopic dynamics in moiré superlattices and sliding ferroelectrics.

0703金属材料
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