京大,2次元半導体中でバレーが失われるメカニズムを解明

京都大学の研究グループは,将来の光電子デバイス材料として期待される2次元原子層半導体材料の「単層遷移金属ダイカルコゲナイド」において,「バレー」と呼ばれる電子の波の状態の情報が失われるメカニズムを明らかにした(ニュースリリース)。

この電子のバレーの情報をデジタル情報処理の0と1に対応させて利用する概念をオプトバレートロニクスといい,高速かつ省エネルギーな光電子デバイスを実現できるとして近年世界的に注目されている。

オプトバレートロニクスを実現するには,バレーの情報をできるだけ長時間保持できることが必要だが,実際にはきわめて短時間に情報が失われてしまい,そのメカニズムも不明だった。

研究では,二セレン化タングステンと呼ばれる代表的な遷移金属ダイカルコゲナイドの単層膜をモデルケースとして,実験と理論の両面から,バレーの情報が失われるメカニズムを突き止めた。具体的には,励起子がバレー分極状態を保持できる時間が,200K程度以下の低温条件では,温度の上昇とともに短くなっていくことがわかった。

さらに,こうした性質が,主として,(1)励起子の重心運動量と(2)ドープされた電子の密度に依存して決まるというメカニズムを明らかにした。さらに,このメカニズムに基づいて半導体材料に工夫を施すことで,バレー状態をより長く保つことができることを見出した。

今回の成果は,2次元原子層半導体の光物性の謎が明らかになったという基礎科学的な意義に加えて,オプトバレートロニクスの実現に向けて材料設計に工学的な指針を与えるものであり,将来の高速省エネルギー光情報デバイスの実現にも繋がるとしている。

その他関連ニュース

  • 首都大ら,原子厚の半導体材料を自在に接合 2019年06月24日
  • 阪大ら,電子バレーを圧力制御し熱電性能を向上 2019年06月10日
  • 名大ら,ハチの巣状単原子層物質プランベンを創製 2019年05月14日
  • 広大ら,電子分光で高温超電導物質の電子状態を観測 2019年05月07日
  • 九工大ら,光学顕微鏡で水中のナノシートを評価 2019年05月07日
  • JAISTら,シリセンと六方晶窒化ホウ素の積層構造を実現 2019年04月09日
  • 慶大,MIを活用しナノシート材料を高効率合成 2019年01月15日
  • 阪大,様々な材料に貼り付け可能な機能性酸化物を作製 2018年12月21日