阪大ら,室温で異方性ホール効果を示す物質を発見

大阪大学,シンガポール南洋理工大学,中国北京大学は,全く新しいバナジウム系2次元(2D)/1次元(1D)ハイブリッド格子構造を合成することに成功し,この新物質が380ケルビンの高温でも予想外の面内異方性ホール効果を示すことを明らかにした(ニュースリリース)。

2種類以上の異なる物質を交互に積み重ねると,元の物質とは異なる性質を持つ複合材料が得られる可能性が指摘されてきた。近年,単原子層からなる2次元材料を人工的に積み重ねることで,異なる超格子構造を形成できるようになったが,同じ次元の材料を積み重ねて超格子を形成することに限定されていた。

今回,シンガポール南洋理工大が,五酸化バナジウム(V2O5)とヨウ化カリウム(KI)を混合し,化学気相成長法を用いて硫黄ガス流量を低く,かつ反応温度を高く(750〜800℃)調節した場合,針状薄片が成長することを確認した。この針状物質は,通常の化学気相成長法による均質な多角形の物質とは異なるものだった。

研究グループは,この針状のV(バナジウム)系遷移金属ダイカルコゲナイド(TMDC)の構造を壊さずにそのまま観察することに成功し,開発した超高真空低加速電圧走査型透過電子顕微鏡で,原子配列を明らかにした。

それによると,この新物質は2次元構造を持つVS2膜と1次元構造を持つVS鎖が積み重なった超格子を形成しており,前例のないハイブリッド構造を持つことがわかった。VS2膜とVS鎖それぞれのバナジウム(V)原子の電子状態を調べたところ,VS鎖のV原子のL端のエネルギー損失吸収端微細構造はVS2構造のそれよりも赤方偏移を示し,VS鎖のV原子の価数(2+)は VS2膜のV原子の価数(4+)と異なることが明らかになった。

すなわち2次元膜中のV原子とこの電子状態の異なる1次元VS配列の存在により,ハイブリッド超格子は面内でも異方的な磁気抵抗効果を示すことが示唆された。結果として,磁場がVS鎖方向に平行または垂直な場合,ホール抵抗の挙動が大きく変化し,従来とは異なる面内ホール効果が生じる。

面内ホール効果は380K(107℃)まで持続し,これは他のTMDCよりも高い温度であり,ハイブリッド超格子を利用した低電力デバイスの実現に可能性を拓くものだとする。

この成果をもとに,これまでにない異次元超格子を創成すれば,その特異な周期性・異方性に起因する新機能発現につながる可能性がある。例えば今回,室温で安定に見出された異方性ホール効果は低電力デバイスの実現に大きく寄与する。またハイブリッド超格子中に存在する1次元ナノ空隙は,ストレージ材料やセンサーデバイスなどに応用できるとしている。

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