東京大學,理化學研究所,科學技術振興機構(JST)

令和3年4月2日

東京大學
理化學研究所
科學技術振興機構(JST)

電気的な偏りのない2次元結晶を重ねるだけで面內に電荷の偏りと光発電機能を実現

~2次元物質界面における新たな機能性の開拓~

ポイント

東京大學 大學院工學系研究科の井手上 敏也 助教、同研究科の巖佐 義宏 教授(理化學研究所 創発物性科學研究センター 創発デバイス研究チーム チームリーダー 兼任)らの研究グループは、同研究科の森本 高裕 準教授らのグループや南京大學、物質?材料研究機構、ブリティッシュコロンビア大學のグループと共同で、2種類の異なる2次元結晶(WSeと黒リン)を重ねて作製した界面において、面內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。

層狀物質から剝離した、原子層1枚、あるいは數枚だけからなる2次元結晶は、元の物質とは全く異なる性質を示すことに加えて、剝離した2次元結晶同士を貼り合わせるだけで新しい2次元界面を作製でき、予想外の物性や機能性が発現することから、近年大きな注目を集めている。これらの界面は、貼り合わせる物質の種類とはほぼ無関係に作製できるという點でこれまでの2次元界面の常識を大きく破っており、作製した界面では、元の結晶にはないさまざまな特徴的構造が現れて、物性に大きく影響を與える場合がある。

本研究では、2次元結晶界面において初めて面內の極性構造に著目して、2つの異なる2次元結晶を重ねて界面の対稱性を制御することで、面內に電気分極を実現するとともに、分極に由來する自発的な光起電力効果(バルク光起電力効果)を観測することに成功した。さらに、光電流の詳細な振る舞いを調べ、観測されたバルク光起電力効果が、電子の量子力學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いだした。

本研究成果は、2次元結晶界面における新たな対稱性制御の指針を與えるものであり、2次元結晶界面の機能性開拓をさらに推進する契機となるだけでなく、結晶の持つ周期性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現象の探索に重要な知見を與えるものと期待される。

本研究成果は2021年4月2日(米國東部夏時間)、米國科學雑誌「Science」に掲載される。

本研究は、JST 戦略的創造研究推進事業 さきがけ 研究領域「トポロジカル材料科學と革新的機能創出」における研究課題「ファンデルワールス結晶の対稱性制御とトポロジカル非線形輸送」(研究者:井手上 敏也)および「トポロジカル物質の非線形応答および非平衡現象の理論的研究」(研究者:森本 高裕)の支援を受けて行われた。

<プレスリリース資料>

<論文タイトル>

“A van der Waals interface that creates in-plane polarization and a spontaneous photovoltaic effect”
DOI:10.1126/science.aaz9146

<お問い合わせ先>

(英文)“A van der Waals interface that creates in-plane polarization and a spontaneous photovoltaic effect”

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