東大ら,2次元結晶を重ね巨大光起電力効果を確認

東京大学,中国南京大学,物質・材料研究機構,加ブリティッシュコロンビア大学は,2種類の異なる2次元結晶を重ねて作製した界面において,面内に電気分極とそれを反映した巨大な光起電力効果が生じることを発見した(ニュースリリース)。

近年,2次元結晶界面特有の構造を反映した物性が議論されるようになり,さまざまな輸送特性や光機能性の発現が報告されるようになってきた。しかしながら,そのような特徴的構造を反映した物性の開拓は類似の結晶構造を持った2次元結晶界面に限られており,全く異なる構造を持った2次元結晶界面における議論は難しいため,これまでほとんどされてこなかった。

また,元の結晶が持っていた周期的構造が失われた界面において,結晶で議論されてきた分極や光起電力効果に着目した研究はなかった。

研究では,どちらも極性を持たない,異なる構造を持った2次元結晶である,二セレン化タングステン(WSe2)と黒リンを重ねることで,ユニークな対称性を持つ2次元結晶界面を作製した。WSe2と黒リン界面では,元のWSe2や黒リンが持っている回転対称性が消失して鏡像対称性のみが存在するようになるため,面内に極性構造が実現していると期待される。

そこで,この界面に光を照射した際の電流応答を調べたところ,電極から離れた位置に光を照射した場合に,電圧を印加しなくても極性構造を反映して有限に光電流が流れることを発見した。

また,界面のさまざまな位置に光を照射して光電流を測定することにより,電極から離れた位置に光を照射した場合に自発的に生じるような光起電力効果は,分極が期待される方向にのみ生じており,それに対して垂直な方向には消失していることを明らかにした。

さらに,光電流の大きさの照射光強度依存性や光エネルギー依存性等を詳細に調べることにより,観測されたバルク光起電力効果が,電子の量子力学的な波束の重心位置が光照射によって空間的に変化するという機構によって説明できることを見出した。

研究グループは今後,物質の組み合わせやデバイス構造の最適化による,光発電効率のさらなる向上が期待されるとしている。また,このような2次元結晶界面は,はり合わせる物質の種類の制限を受けないため,今後他のさまざまな2次元結晶界面の実現とそこでの機能性開拓が大いに期待できるという。

さらに,この成果は,結晶の持っていた周期的構造が失われた物質における電気分極や光起電力効果といった物性の発現を示唆しており,新奇固体物性を開拓,考察していく上での重要な知見を与えるものだとしている。

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