層状化合物におけるスピン／バレー物性の解明と制御

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グラフェンに代わる次世代層状物質として、遷移金属ダイカルコゲナイド（TMD）が注目を集めている。これはTMDにおいては、高い電子易動度に加え重い元素由来の大きなスピン軌道相互作用によって、「バレー」というスピン自由度に加わる新たな量子力学的自由度が利用可能であるためである。本研究では、従来注目を集めてこなかったTMDの結晶多形において新たな量子現象を見出したので、報告する。今年度は、TMDナノチューブにおける「バルク光起電力」の測定を行った。TMDはその元素組み合わせによってバンドギャップが数種類あり、それらは可視から近赤外にかけて広がっているため、太陽スペクトルを効率よく吸収できる可能性があるとして太陽電池への応用が期待されている。WS2ナノチューブに対して、スピンコート法と電子ビームリソグラフィー法によって電極を蒸着し、クライオスタット中で光起電力を測定した。結果は、レーザー照射時にのみｎA級の起電流が発生することが明らかとなった。I-Vカーブより、光の変換効率を計算すると、千分の一%とわかった。変換効率はとても小さいものの、簡便なスピンコート法によって、太陽電池デバイスを作成できたので、今後の実用化が期待される。また、本現象の原因を群論的に考察した。光を照射しただけで起電力の発生するのは、系が極性を持つ必要がある。層状物質TMDは反転対称性は破れているが、極性を持たない。しかし、これがナノチューブに丸められるとさらに対称性が落ちて、対称性が無くなる。これによって、極性が発生し、TMDナノチューブにおいてはバルク光起電力が生じることが明らかになった。