東北大ら,グラフェンを超える新材料「シリセン」の基盤電子構造を解明

東北大学と豊田中央研究所の研究グループは共同で,グラフェンを越えると期待されている新材料シリセンの層間化合物CaSi2を合成し,その電子状態の解明に世界で初めて成功した(ニュースリリース)。

シリセンは,硅素(Si)が蜂巣格子状に組んで形成した一枚の原子シートで,炭素からなる同様な原子シートであるグラフェンを越える新材料として近年盛んに研究が行なわれている。グラフェンは,原子シート中の電子が非常に高い移動速度を有するため、超高速電子デバイスや液晶ディスプレイなどへの応用が精力的に進められている。

しかしながら,グラフェンはその電子状態に,半導体デバイス構築に必要なエネルギーバンドギャップを持たないため,超高速半導体デバイス開発への展開が大きく制限されている。一方シリセンは,グラフェンと同様な電子状態を形成し,さらに電界効果によってバンドギャップの形成とその制御が可能であると提案されており,超高速電子デバイスへの応用が大きく期待されている。

しかしながらシリセンは,その結晶構造にしわ状の凹凸構造(バックリング構造)と呼ばれるグラフェンとは異なる構造を持つため,超高速電子の起源となるディラック・コーンと呼ばれる特殊な電子状態を持つかどうか不明だった。また,単離したシリセン原子シートを合成することの難しさもこの問題の解明を遅らせており,その電子状態の解明が急がれていた。

今回,研究グループは,何層も積層させたシリセン層間にカルシウム(Ca)を挿入した多層シリセン層間化合物CaSi2を合成し,その電子エネルギー状態の測定を行なった。CaSi2の結晶中では,シリコン原子はシリセンと同じ蜂巣格子状のバックリング構造を持つ原子シートを形成していることが知られており,単独では測定が困難な単層シリセンの電子状態を測定することが出来ると考えられる。

今回,光電子分光を用いてCaSi2の電子エネルギー状態を調べた結果,蜂巣格子状の原子配置に由来するパイ電子やシグマ電子がCaSi2のシリセン層に分布して存在し,さらに観測されたパイ電子がディラック・コーン電子状態を形成していることを初めて見出した。これは,グラフェンでは存在しないバックリング構造を持つシリセンにおいても,超高速電子の起源となるディラック・コーン電子状態が安定して形成されていることを示し,今後のシリセンを基盤材料とする超高速電子デバイスの開発に大きく道を拓くもの。

この研究は,シリセンの電子状態を,その層間化合物CaSi2を用いて明らかにしたもの。単独のシリセンと同じ結晶構造を持つCaSi2中のシリコン原子シートが,超高速電子の起源となるディラック・コーン電子状態を持つ事が明らかになりった。

今後,このCaSi2に対して,Ca原子の相対数を変化させて電子の数を調整し,またCaを他の元素に置換することで化学的な圧力を印加することでディラック・コーン電子状態を制御して,半導体デバイス構築へ向けた材料設計を進める必要があるという。また一方で,半導体基板上に分子線エピタキシー法でCaSi2超薄膜を作成し,そのシリセン原子シート中のディラック・コーン電子を利用する超高速電子デバイスへの応用展開も期待されるとしている。

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