東大ら,2次元結晶に構造由来の光起電力効果発見

東京大学,理化学研究所,加The University of British Columbia,物質・材料研究機構は,積層方向に分極を持つような2次元結晶において,電気分極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)。

原子層数枚だけからなる2次元結晶では,各層の積層の仕方が物性に本質的影響を与えることが分かってきており,積層構造の違いによる多彩な機能性の開拓が可能になる。特に近年,積層方向に電気分極を持つような特徴的積層構造を持つ2次元結晶に大きな注目が集まっている。

そのような面直電気分極を有する2次元結晶において,電気分極を反映した特異な電子構造や光物性,電気伝導特性の報告がなされるようになってきた。しかしながら,そのような特徴的積層構造に由来する分極を反映した光起電力機能に着目した研究はなかった。

研究では,積層方向に電気分極を持つ2次元結晶である二硫化モリブデン(MoS2)において,分極を反映した光起電力応答を調べた。MoS2は単層や隣接する層が180度反転しながら積層した構造であるH型積層では電気分極はないが,隣接する層が同じ向きにずれて積層した構造であるR形積層構造では面直に電気分極が生じることが知られている。

このR型積層構造を持つMoS2試料を電極の役割を担うグラフェンで挟んだデバイスを作製し,上から光を照射したところ,電圧を印加しない状態でも電流が流れることを発見した。このデバイス構造には半導体pn接合がないため,従来の光起電力効果とは異なる機構で光電流が生じていることが分かる。

また,さまざまな試料での光起電力効果を測定し,電気分極を持たないような単層試料や別の積層構造を持つ試料では光電流は流れないことが確認されたため,R型積層試料で観測した光起電力効果が積層構造に由来する分極を反映したものであることが明らかになった。

さらに,光電流のキャリア数依存性や電圧依存性,光照射依存性等を詳細に調べることで,観測された光起電力効果が,分極を遮蔽するように上下のグラフェン中にキャリアが非対称に集積することによって生じる機構によって説明できることを見出すと同時に,層数を増やすことによって光電流が増大していく様子も観測したという。

研究グループは今後,他の類似積層構造を持つ物質における光起電力機能の検証や電極物質とデバイス構造の最適化により,光発電効率のさらなる向上が期待されるとする。また,この研究を契機として,光起電力機能だけに限らず,積層構造に由来するさまざまな新奇物性や機能性の開拓が推進されるとしている。

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