2023 Fiscal Year Research-status Report

原子層面内ヘテロ構造における電子構造に対する一般理論の確立と物性の理論的評価

Research Project

Project/Area Number	23K03289
Research Institution	Kyoto University of Advanced Science
Principal Investigator	羽部哲朗京都先端科学大学, ナガモリアクチュエータ研究所, 助教 (60737435)
Project Period (FY)	2023-04-01 – 2026-03-31
Keywords	物性理論 / 原子層物質 / 電子スピン伝導 / 遷移金属ダイカルコゲナイド
Outline of Annual Research Achievements	2023年度は、本研究の目的である異なる原子層物質をもちいたヘテロ構造で任意の性質を発現させるための理論構築を実現するための予備的な研究を行った。まず、原子層物質である遷移金属ダイカルコゲナイド(TMDC)のヘテロ構造における電子構造とその電子輸送特性の変化について理論的な解析を行った。特に、金属的な性質を示す五族元素を含むTMDCと半導体的な性質を示す六属元素を含むTMDCの組み合わせについて、構成元素を変えながら詳細な解析を行った。その結果として金属的TMDCであるNbS2と半導体的TMDCであるMoSe２（またはWSe2）のヘテロ構造において大きな電荷の移動が生じ、スピン伝導性能が向上することが明らかとなった。また、この組み合わせでは安定な積層構造が非従来型の積層パターンである2R構造をとることが明らかとなった。元々、TMDCは単層化によってスピン伝導性能を獲得することが知られており、その性質は積層することで喪失するものあった。しかし、本研究によって金属的と半導体的の組み合わせで非従来型の積層構造が安定化し、純物質とは逆に積層によるスピン伝導性能の向上が起きることが明らかとなった。また、遷移金属ダイカルコゲナイドではフェルミエネルギー近傍の電子状態は遷移金属元素由来の原子軌道で主に構成されており、当初の予測では遷移金属元素の変化がヘテロ構造の性質に大きな影響を与えると予想されたが、それとは異なる興味深い結果を明らかにした。ヘテロ構造においては、各物質の格子定数が異なるために接合界面で格子構造の変形が起こる。本研究によって、カルコゲン元素を原子数の大きなものにすることで格子構造の変形に対する安定性が向上することが明らかとなった。このような、性質の変化は遷移金属元素の変更では起こらないもので新たな知見である。これらの結果は査読ありの国際学術誌において論文として発表した。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 現在までの研究では、任意の性質を発現する原子層ヘテロ構造のデザインに向けた基礎理論の構築の第一段階が完了した。現在までの解析で、ヘテロ構造の構築において物性を変化させる要因について知見を得ることに成功した。さらに、研究計画の立案段階では想定されていなかった自発的な原子層間の電荷移動が明らかとなるなど、追加的な研究の成果も得られた。
Strategy for Future Research Activity	今後は、当初の計画通りにヘテロ構造における様々な物性を理論的に求め、また並行して他の原子層についてもヘテロ構造における電子構造の変化を理論的に明らかにしていく。その上でヘテロ構造形成に伴う物性の変化と電子構造の関係を解析し、先に明らかとしたヘテロ構造形成に伴う電子構造の変化と合わせて、ヘテロ構造の特徴と物性を直接結びつける関係を明らかとしていく予定である。
Causes of Carryover	国際会議の開催地が近隣であったため、会議への参加にかかる費用が予定に比べ大幅に減少したために次年度に繰り越した。次年度使用額については、購入予定の物品の性能をより高いもにするか、または研究結果のオープンアクセス化に関わる費用として使用する予定である。