ファンデルワールス・ヘテロ接合を用いた非相反現象と電子相制御の研究

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本研究は、ファンデルワールス(VdW)ヘテロ接合による物性の制御を目的としており、主に機械的な積層法によって、多様なvdWヘテロ接合を作製する。本年度は、MoS2単層と多層黒リン（BP）の積層構造の作製と、対称性を反映する異常光電流(ゼロバイアスでの光電流)の評価を行った。MoS2単層は三回回転対称性を有する物質であり、BPは二回回転対称性を持つが、これらの回転対称性は両立することができないため、vdWヘテロ接合では回転対称性が消失し極性界面が現れると考えられる。とくに両物質が有する鏡面をそろえて積層した場合には、鏡面方向に極性が生ずる。本研究では両物質の鏡面を0度、および90度の角度で積層した2種類の界面を作製し、それからの光電流マッピングを行った。その結果、鏡面を0度で積層した場合に、光電流が界面全体で発生することが観察され、極性を持たない2つの物質の界面において極性が発生していることを強く示唆する結果を得た。さらに、分極に平行方向での光伝導度が現れる一方、極性に垂直方向での光電流は比較的弱いという結果も得られた。さらに、カナダのブリティッシュコロンビア大学との共同研究を行い、光電流の励起スペクトルを測定した。その結果、MoS2のバンドギャップより大きな光エネルギー領域で特徴あるピークを観測するとともに、バンドギャップより小さな光エネルギー境域では、分極に垂直な方向の光電流が、平行な方向よりも大きくなる逆転現象を発見した。これらの結果を受け、理論家と協力して、MoS2/BP界面のバインディングモデルによる定式化を行うとともに、シフト電流機構による非線形光伝導度の励起スペクトルの計算を行った。励起スペクトルには、実験との定性的な一致が見られ、計算が本系の本質をとらえているとともに、シフト電流機構を強く支持する結果が得られた。