岡山大ら,原子層半導体の一次元構造化に成功

岡山大学,東京都立大学,産業技術総合研究所は,原子レベルに薄い半導体材料(遷移金属ダイカルコゲナイド,TMDC)の「ナノリボン」と呼ばれる一次元構造の合成に成功した(ニュースリリース)。

単層が原子3個分の厚みをもつ原子層半導体のTMDCは,単層でのみ発光特性をもつ直接遷移型半導体になることや,単層のTMDCは優れた機械的柔軟性,光学特性,電気特性から,次世代の光電子デバイスへの応用が期待されている。

また,原子層物質をナノスケール幅の短冊状にした一次元物質「ナノリボン」は,原子層物質をナノリボン構造にすることで,二次元から一次元の特性に変化し,量子閉じ込め効果やエッジ効果による新たな物性の発現が期待できるが,TMDCナノリボンは合成手法が確立されていないかった。

研究では,TMDCの一種であるWS2ナノリボンの合成を行なった。そのアプローチとして,酸化タングステン(WxOy)のナノワイヤをテンプレートとしてWS2を成長し,WS2ナノリボンを合成する手法を提案した。

原料として金属塩(Na2WO4)を成長基板に塗布して高温で粒子化し,微量な有機硫黄の蒸気と反応させてWxOyナノワイヤを成長した。さらに,WxOyナノワイヤと硫黄を連続的に反応させ,WxOy上にWS2ナノリボンを成長した。

WxOyナノワイヤ上のWS2ナノリボンの構造や光学特性を調べたところ,光学特性から単層に由来する発光(フォトルミネッセンス:PL)特性が得られた。多数のWS2ナノリボンのPLから,ほぼすべてのWS2ナノリボンが単層だと明らかになった。また,WxOyナノワイヤ上に単層WS2ナノリボンが成長した構造も明らかになった。

研究グループは,単層のみが選択的に得られるモデルの提案と検証をするとともに,光学特性を調査した。通常のWS2シートは偏光特性を持たないのに対し,WS2ナノリボンでは偏光特性が現れ,WS2ナノリボンの一次元性を示していると考えられた。

WS2ナノリボンをナノワイヤからの単離したところその厚みは1nm以下で,単層であることを示した。また,光学特性からWxOyナノワイヤ上で受けていた格子歪みやドーピングが軽減されていることも分かった。

単層WS2ナノリボンを用いて電界効果トランジスタ(FET)を作製したところ,電子伝導型(n型)のFETとして動作し,発光特性とFET特性を持ち合わせるWS2ナノリボンの合成に初めて成功した。

研究グループは,TMDCナノリボンの新規物性開拓とIoE社会を支える次世代ナノスケール光電子デバイスの実現に近づく成果だとしている。

その他関連ニュース

  • カルコジェニック,二次電池向け硫化スズ粉末を開発 2024年05月23日
  • 理研ら,異次元ナノ半導体界面に潜む量子光源を発見 2024年04月12日
  • 理研ら,層状物質と微小光共振器で高効率に波長変換 2024年04月03日
  • NIMSら,層状化合物に未実証の電荷密度波分布発見 2024年02月27日
  • 産総研ら,紫外線で粘着力が低下する転写テープ開発 2024年02月13日
  • 東大,極性単結晶薄膜を塗布形成できる有機半導体開発 2024年01月30日
  • 東大,2次元半導体の単層を基板上へ単離 2024年01月11日
  • 理研ら,ナノ半導体界面でエネルギー共鳴現象を発見 2023年12月15日