遷移金属ダイカルコゲナイドを用いた遠赤外発光素子の実現

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複数層WSe2を量子井戸層として用い、ファンデルワールス（vdW）ヘテロ構造で二重量子井戸デバイスを実現した。一般的な二重量子井戸構造において量子井戸間に電圧を印加すると、キャリアがエネルギーと波数ベクトルを保存してトンネルする際に共鳴トンネル効果が起き、電流-電圧特性にピークが生じる。本研究のvdW二重量子井戸においても負性微分抵抗を伴う電流ピークが観測でき、得られたピーク対バレー電流比（PVR）は他のvdW構造による共鳴トンネルデバイスのPVRを大きく上回る値だった。以上は、複数層WSe2を用いたvdW量子井戸のデバイス応用化の展望を示す成果と言える。また、vdWヘテロ構造による二重量子井戸デバイスでは、新たなデバイス設計パラメータとして、デバイスを構成する各層の結晶方位の角度ずれ（ツイスト角度）を考えることができる。そこで本研究では、2つの複数層WSe2量子井戸間のツイスト角度を様々な値に制御したデバイスを作製し、電流-電圧特性を比較した。すると、共鳴トンネルピークを生じさせる印加電圧の値は、ツイスト角度に依存して系統的に変化していた。ここでツイスト角度は、波数空間ではΓ点を中心とした回転角度に相当するため、共鳴トンネルの行先の波数がツイスト角度分の回転操作によって制御される。つまり、得られた共鳴トンネルのツイスト角度依存性は、複数層WSe2のエネルギーバンドの、回転方向に沿った分散を反映していることが示唆される。そこで、密度汎関数法を用いたバンド分散の計算値と実験値を比較してみると、両者はよく整合していることが分かった。以上のように本研究では、ツイスト角度を制御したvdW二重量子井戸における共鳴トンネルによって、量子井戸層の物質のバンド分散を実験的に明らかにすることに成功し、物性探索の場としてvdW二重量子井戸を活用できることを示した。