原子層を重ねた「モアレ模様」の活用で新構造の原子層結晶を創製
―機能性 2 次元材料の探索に道―

発表のポイント

• 分子線エピタキシー法により、グラフェン上に原子 3 個分の厚さしかない 2 テルル化モリブデン（以下、MoTe₂）原子層薄膜を作製しました。
• 原子層 MoTe₂ がグラフェンに対して自然に 30 度回転して成長することで、結晶格子にモアレ模様が現れることを見出しました。
• モアレ模様を活用することで、通常は安定して存在しないゆがみのない正八面体型 1T 構造を持つ MoTe₂ 原子層の作製に初めて成功しました。
• モアレ模様を活用した新しい原子層材料の創製法を提案しました。

概要

2018年に、蜂の巣格子状の炭素2次元シートであるグラフェンを2層積み重ねて一方を1度ひねるだけで、その性質が半導体から超伝導体に変化するという驚くべき報告が米国の研究グループからなされました。この劇的な性質の変化には原子層どうしをひねることで結晶格子に生じるモアレ模様が関与しているためだとわかりました。その報告以降、原子層を重ねてモアレ模様を作り、多彩な物性を実現するための研究が世界中で爆発的に進展しています。

東北大学大学院理学研究科の菅原克明 准教授と材料科学高等研究所（以下、WPI-AIMR）の佐藤宇史 教授らの研究グループは、WPI-AIMRの岡博文 助教、大学院理学研究科の福村知昭 教授らと共同で、分子線エピタキシー法を用いてMoTe₂の原子層薄膜をグラフェン上に作製し、電子構造（電子状態）をマイクロ角度分解光電子分光と走査トンネル顕微鏡を用いて調べました。その結果、グラフェンと30度回転して成長するMoTe₂の積層によって生じるモアレ模様を活用することで、通常は安定して存在しないはずの正八面体型1T構造を持つMoTe₂原子層を作製することに初めて成功しました。

今回の成果は、「結晶構造は変化しない既知の原子層どうしをひねる」という、これまで広く用いられているモアレ模様の活用法とは異なり、「成長時に自然とできたモアレ模様によって新しい原子層結晶を創製する」という新しい発想のモアレ模様の活用法を提案するものです。今後この方法を他の原子層材料にも適用することで、新機能性の探索が格段に進むと期待されます。

本研究成果は、科学雑誌Advanced Scienceに2023年10月22日（現地時間）にオンライン掲載されました。

図1 2 枚のグラフェンをひねり角（a）θ = 5°、（b）θ = 10°、c）θ = 20° で重ねた際のモアレ模様。

図2 原子層 MoTe₂ の結晶構造。（a）が三角プリズム型構造、（b）が正八面体型構造（1T）、
（c）が 1T 構造を歪ませた 1T’構造に対応します。赤線が単位格子に対応します。

論文情報
雑誌名：「Advanced Science」
論文タイトル：Moiré-assisted realization of octahedral MoTe₂ monolayer
著者： Yasuaki Saruta, Katsuaki Sugawara, Hirofumi Oka, Tappei Kawakami,
Takemi Kato, Kosuke Nakayama, Seigo Souma, Takashi Takahashi, Tomoteru
Fukumura, and Takafumi Sato
DOI番号：10.1002/advs.202304461

リンク
プレスリリース (東北大学Webサイト)