首都大ら，カルコゲナイド系層状物質の電気的性質を解明

首都大学東京と筑波大学の研究グループは，共同で走査トンネル顕微鏡（STM）を用いて，3原子厚という究極的に薄い半導体材料からなる半導体ヘテロ接合の界面の電子状態を解明することに初めて成功した（ニュースリリース）。

近年，電子素子の微細化に伴って高性能材料の必要性が高まっている。また，軽くて柔軟な電子機器を実現するために，原子数個分の厚みを持つシート状物質である原子層物質に注目が集まっている。このような物質としては，炭素原子1個の層からなる膜であるグラフェンがある。

その一方で，新しい機能性材料として，モリブデン（Mo）やタングステン（W）などの遷移金属原子と，硫黄（S）などのカルコゲン原子からなる遷移金属ダイカルコゲナイド（TMDC）という層状物質が大きな注目を集めている。この物質は，1層での厚みが3原子分という薄いシート状の構造を持っており，主に潤滑剤などで一般に広く利用されてきた。

グラフェンとは異なり，多数ある遷移金属原子とカルコゲン原子の組み合わせにより，半導体から金属，そして超伝導体など，様々な機能を持つTMDCが存在することが特徴。従来は多数の層が積層した層状結晶として存在することが知られていたが，1層分の薄いシート状で作製でき，大気中で安定に存在できることが明らかになってきた。この非常に薄い構造的な特徴により，柔軟性や透明性を持つ光電子素子，そして超低エネルギー消費な電子素子への応用が期待されている。

このような素子を実現していくには，半導体としての特性を持つTMDCにおいては特に，異なるバンドギャップを持つTMDC同士を組み合わせた半導体ヘテロ接合構造にすることが必要になる。そして，その接合部に生じる電場や電子状態などを活用し，光エネルギーを電気エネルギーに，また電気エネルギーを光エネルギーに効率よく変換していくことが重要な課題となるが，そのような界面での電場等の詳細な電子状態は明らかではなかった。

研究グループは，この課題に取り組むため，化学気相成長法を用いてこのTMDC原子層の半導体ヘテロ接合を作製してきた。今回，1層の厚みを持つ二硫化タングステン（WS2）とタングステンとモリブデンが混在したTMDC，通称Mo_1-xWxS₂合金とのヘテロ接合を実現することに成功した。

この試料について，STMを用いることで，ヘテロ接合界面において個々の原子がどのように配列しているかを観察し，極めて直線的な界面が実現されていることを明らかにした。

さらに，走査型トンネル分を用いることで，WS₂とMo_1-xWxS₂合金の電子状態を計測し，この電子状態が界面近傍でどのように変化していくか解明した。特に，このヘテロ接合系では，一般にタイプ2と呼ばれる，光センサーや太陽電池に有利な電子状態を界面で実現できることを実験的に確認した。

また，接合部では，界面近傍の10nm以下の微小な領域で大きな電場が生じていることを可視化し，約80×106 V/m程度の電場が自発的に発生していることなどの定量的評価にも成功した。さらに，例えば二硫化タングステンと呼ばれる材料にMo原子を1つW原子と置換した場合に，電子状態がどのように変化するかも初めて解明した。

これらの成果は，半導体材料において重要な，元素置換によるバンドギャップ制御や，異種半導体接合における電気的性質を微視的な観点から初めて解明した例になる。

今回の研究対象である半導体ヘテロ構造は半導体素子の最も重要な構造の1つで，光センサー，半導体レーザー，そして太陽電池などの光電子素子で広く利用されている。この研究成果は，薄い，軽い，透明などの特徴を持つ新しい材料系である半導体原子層物質でも，従来の固体材料と同様な特性を持つ半導体ヘテロ接合が実現できることを示すもの。研究グループでは，将来の光・電子デバイスの研究・開発において重要な知見を提供するものとしている。