東北大ら,原子配置制御で金属/半導体を作り分け

東北大学,東京工業大学,埼玉大学らの研究グループは,これまで知られていない正八面体構造を持つセレン化ニオブ(NbSe2)原子層薄膜の作製に成功した(ニュースリリース)。

電子状態の精密な測定から,この物質が従来知られていた三角プリズム型の構造ユニットを持つ金属的NbSe2と異なり,電子間の強い相互作用の結果形成される「モット絶縁体」であることを見出した。

近年,層状物質を極限まで薄くすることによって新機能を発現させる取り組みが精力的に行なわれている。グラファイトを極限まで薄くしたグラフェンが,グラファイトには無い様々な性質を持つことはその典型例。層状物質であるNbSe2は,ニオブ(Nb)とセレン(Se)の層が積み重なった構造をしており,その構造ユニットはグラフェンと類似した六角形をした三角プリズム型であることが知られている。

このプリズム型の局所構造を持つバルクのNbSe2結晶は,室温では金属で,低温で電荷密度波と超伝導という全く異なる状態が共存して出現する事が知られている。一方で,正八面体型の原子配置を持つNbSe2は,良質の試料を作製することが困難で,その性質は未解明のままだった。

研究グループは,分子線エピタキシー法を用いて,グラフェン薄膜上に原子層レベルで精密に制御された高品質な単原子層NbSe2を作製することに成功した。さらに,原子層NbSe2を作製する際の基板であるグラフェンの温度を精密に制御することで,低温加熱の場合には三角プリズム型構造ユニットを持つNbSe2を,高温加熱の場合には正八面体型構造のNbSe2を,精度良く作り分けることに成功した。

さらに,これまで未解明であった正八面体型の構造ユニットを持つ単原子層NbSe2の電子状態を角度分解光電子分光を用いて調べた結果,理論計算から予測されていたような金属的性質を全く持たず,電子同士の強い相互作用によってバンドギャップが形成されたモット絶縁体という絶縁体(半導体)であることを見出した。

さらに,この正八面体型NbSe2においては,複数のNb原子が集まってできる“ダビデの星”構造という特殊な電荷秩序状態が形成されていることも明らかにした。

研究は,ポストグラフェンとして大きな注目を集めている遷移金属ダイカルコゲナイドのひとつであるNbSe2について,局所構造の原子配置を制御する事によって,金属/半導体(絶縁体)を作り分ける事ができる事を示したもの。今後,この金属/半導体NbSe2原子層薄膜を利用した超微細原子層電子デバイスへの応用展開が期待されるとしている。

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