ファンデルワールス結晶ナノ構造体における異常光電流効果の開拓

2020 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 19K21843
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 井手上 敏也 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 助教 (90757014)
• Project Period (FY): 2019-06-28 – 2021-03-31
• Keywords: 異常光電流効果 / シフトカレント / ファンデルワールス結晶 / ファンデルワールスヘテロ界面 / 空間反転対称性の破れ

Outline of Annual Research Achievements

異なる対称性を持ったファンデアワールス結晶ヘテロ界面における異常光電流効果（従来の半導体p-n接合を必要としない、空間反転対称性が破れた物質が固有に示すゼロバイアス下光電流効果）の研究を推進した。特に、3回対称性を有する遷移金属ダイカルコゲナイドWSe2と2回対称結晶である黒リンのヘテロ界面において発現する異常光電流効果の詳細な振る舞いを調べることにより、界面の電子状態や異常光電流効果の微視的機構に関して知見を深めた。
具体的には、WSe2と黒リンの間に良質な絶縁体であるhBNを挿入した、WSe2と黒リンの並列回路と見なせるような試料を作製して、そのような構造のデバイスでは異常光電流効果が生じないことを確認した。また、黒リンの厚さによって光電流効果効果の大きさがどのように変化していくかを系統的に調べ、黒リンの厚さによらない異常光電流効果の成分があることを明らかにした。どちらの結果も、異常光電流効果がWSe2と黒リンの界面で本質的に生じており、界面におけるWSe2と黒リンの電子状態の混成が異常光電流効果発現に必須であることを明瞭に示す結果である。
加えて、ヘテロ界面における異常光電流効果の照射光波長（エネルギー）依存性を測定し、異常光電流効果の微視的起源にアプローチした。中でも、WSe2の励起子共鳴近傍の波長（エネルギー）領域で異常光電流が増大する様子を観測し、2次元励起子共鳴によってファンデルワールス結晶ヘテロ界面の異常光電流効果が増大する可能性を見出した。さらに、励起子共鳴よりもさらに高エネルギーの領域において、異常光電流効果が非単調に振舞うことを発見し、光照射下での波動関数の重心シフトによる理論モデル（シフト電流機構）によって上手く説明できることを明らかにした。

Research Products

• [Int'l Joint Research] 南京大学(中国)
  • Country Name: CHINA
  • Counterpart Institution: 南京大学
• [Int'l Joint Research] ブリティッシュコロンビア大学(カナダ)
  • Country Name: CANADA
  • Counterpart Institution: ブリティッシュコロンビア大学
• [Journal Article] A van der Waals interface that creats in-plane polarization and a spontaneous photovoltaic effect (2021)
  • Author(s): T. Akamatsu, T. Ideue, L. Zhou, Y. Dong, S. Kitamura, M. Yoshii, D. Yang, M. Onga, Y. Nakagawa, K. Watanabe, T. Taniguchi, J. Laurienzo, J. Huang, Z. Ye, T. Morimoto, H. Yuan, and Y. Iwasa
  • Journal Title: Science Volume: 372 Pages: 68-72
  • DOI: 10.1126/science.aaz9146
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Symmetry Breaking and Nonlinear Electric Transport in van der Waals Nanostructures (2021)
  • Author(s): T. Ideue, and Y. Iwasa
  • Journal Title: Annual Review of Condensed Matter Physics Volume: 12 Pages: 201-223
  • DOI: 10.1146/annurev-conmatphys-060220-100347
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Quantum and classical ratchet motions of vortices in a two-dimensional trigonal superconductor (2020)
  • Author(s): Y. M. Itahashi, Y. Saito, T. Ideue, T. Nojima, and Y. Iwasa
  • Journal Title: Physical Review Research Volume: 2 Pages: 023127
  • DOI: 10.1103/PhysRevResearch.2.023127
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Antiferromagnet-Semiconductor Van Der Waals Heterostructures: Interlayer Interplay of Exciton with Magnetic Ordering (2020)
  • Author(s): M. Onga, Y. Sugita, T. Ideue, Y. Nakagawa, R. Suzuki, Y. Motome, and Y. Iwasa
  • Journal Title: Nano Letters Volume: 20 Pages: 4625-4630
  • DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c01493
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Giant nonreciprocal magnetotransport in bulk trigonal superconductor PbTaSe2 (2020)
  • Author(s): T. Ideue, S. Koshikawa, H. Namiki, T. Sasagawa, and Y. Iwasa
  • Journal Title: Physical Review Research Volume: 2 Pages: 042046(R)
  • DOI: 10.1103/PhysRevResearch.2.042046
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Bulk photovoltaic effect in van der Waals heterointerfaces (2021)
  • Author(s): Toshiya Ideue
  • Organizer: International Meeting on Thin Film Interfaces and Composite Crystals
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] ファンデルワールス結晶界面における対称性制御と物性開拓 (2021)
  • Author(s): 井手上敏也
  • Organizer: 新世代研究所 2020年度第1回スピントロニクス科学研究会
  • Invited
• [Presentation] ファンデルワールスハイパーマテリアルの対称性と物性 (2021)
  • Author(s): 井手上敏也
  • Organizer: 日本物理学会第76回年次大会
  • Invited
• [Presentation] Anomalous photocurrent response in van der Waals heterointerface (2021)
  • Author(s): Toshiya Ideue, Takatoshi Akamatsu, Ling Zhou, Sota Kitamura, Masaru Onga, Yuji Nakagawa, Joseph Laurienzo, Junwei Huang, Takahiro Morimoto, Hontao Yuan, Yoshihiro Iwasa
  • Organizer: American Physical Society March Meeting 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ファンデルワールスヘテロ界面におけるバルク光起電力効果 (2021)
  • Author(s): 井手上敏也, 赤松孝俊, Zhou Ling, Yu Dong, 北村想太, 吉井真央, Dongyang Yang, 恩河大, 中川裕治, 渡邉賢司, 谷口尚, Joseph Laurienzo, Junwei Huang, Ziliang Ye, 森本高裕, Hongtao Yuan, 岩佐義宏
  • Organizer: 第68回 応用物理学会 春季学術講演会
• [Presentation] Anomalous thermal transport in insulators (2020)
  • Author(s): Toshiya Ideue
  • Organizer: International Conference on Thermodynamics and Thermal Metamaterials
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 固体中の反転対称性の破れと非線形量子輸送現象 (2020)
  • Author(s): 井手上敏也
  • Organizer: ISSPワークショップ「量子物質研究の最近の進展と今後の展望」
  • Invited
• [Presentation] ファンデルワールスヘテロ界面におけるバルク光起電力効果の積層角度依存性 (2020)
  • Author(s): 井手上敏也, 赤松孝俊, Zhou Ling, 北村想太, 恩河大, 中川裕治, Joseph Laurienzo, Junwei Huang, 森本高裕, Hongtao Yuan, 岩佐義宏
  • Organizer: 日本物理学会 2020年秋季大会
• [Remarks] 電気的な偏りのない2次元結晶を重ねるだけで面内に電荷の偏りと光発電機能を実現
  • URL: https://www.t.u-tokyo.ac.jp/shared/press/data/setnws_202104021333120169363733_579329.pdf