原子層物質におけるフェルミ端特異性の探索と光学応答の制御

研究課題

研究課題/領域番号	24K06917
研究種目	基盤研究(C)
配分区分	基金
応募区分	一般
審査区分	小区分13020:半導体、光物性および原子物理関連
研究機関	名古屋大学
研究代表者	小山剛史名古屋大学, 工学研究科, 准教授 (20509070)
研究期間 (年度)	2024-04-01 – 2027-03-31
研究課題ステータス	交付 (2024年度)
配分額 *注記	4,550千円 (直接経費: 3,500千円、間接経費: 1,050千円) 2026年度: 260千円 (直接経費: 200千円、間接経費: 60千円) 2025年度: 650千円 (直接経費: 500千円、間接経費: 150千円) 2024年度: 3,640千円 (直接経費: 2,800千円、間接経費: 840千円)
キーワード	単層グラフェン / フェルミ端特異性 / 単層遷移金属ダイカルコゲナイド / 原子層物質
研究開始時の研究の概要	電荷注入がなされた半導体や金属において、遷移先（元）の準位がフェルミ準位の近傍となる遷移では、励起される正孔（電子）がフェルミ準位近傍の多くの電子（正孔）と結合し、遷移強度の発散的な増大が起こり得ます。これをフェルミ端特異性とよびます。近年、単層グラフェンや単層遷移金属ダイカルコゲナイドなどの原子一層から数層程度からなる原子層物質を対象とした実験が広く行われるようになりました。本研究では、二次元性が極めて高い原子層物質においてフェルミ端特異性がどのくらい強く現れるのか、室温でも観測されるのか、について調べます。
研究実績の概要	原子層物質の光学応答におけるフェルミ端特異性を実験的に調べ、先行研究の二次元電子系に関する理論との比較からこの特異性の二次元的振る舞いを明らかにし、低次元系の電子正孔多体相互作用の理解に寄与することが本研究の目的です。当該年度に実施した研究の内容の一つ目は、イオンゲルを用いた電気化学ドーピング素子を作製し、正孔ドープされた単層グラフェンの発光測定を行ったことです。ラマン散乱測定によって得られたGバンドと2Dバンドのピークエネルギーからフェルミエネルギーを評価し、正孔ドーピングによってフェルミエネルギーを0.6eV程度変化させられることがわかりました。フェルミエネルギーを制御してフェムト秒発光測定を行い、発光光子エネルギー0.7eVから1.4eVの範囲で発光減衰や強度を調べました。当該年度に実施した研究の内容の二つ目は、前年度に測定した単層遷移金属ダイカルコゲナイド二硫化モリブデンの励起子と荷電励起子のフェムト秒発光について解析を進めたことです。A励起子、B励起子、荷電励起子について自由な状態と浅い束縛状態を含めたレート方程式を立て、A励起子、B励起子、荷電励起子の発光減衰の全てを再現するようにフィッティング解析しました。その結果、励起子から荷電励起子への緩和時定数を得ました。得られた緩和時定数を他の二次元電子系におけるそれと比較し、電子濃度や二次元系の厚さとの関係を考察しました。得られた成果をもとにして学会発表および論文発表を行いました。ここまでの研究の意義と重要性は、単層グラフェンの発光におけるフェルミ端特異性の理解につながる予備的な結果を得たこと、電子ドープされた単層二硫化モリブデンにおける励起子と荷電励起子の動的振る舞いの理解を進めたことです。
現在までの達成度	現在までの達成度 2: おおむね順調に進展している理由電荷ドープされた単層グラフェンと単層二硫化モリブデンにおける光励起されたキャリヤや励起子の動的振る舞いの理解が進んだため。
今後の研究の推進方策	今後の研究の推進方策は次の通りです。電荷ドープされた単層グラフェンの定常発光や光吸収を測定し、フェルミ端近傍での応答の理解をより進めること。応答の次元性を理解するために、種々の一次元、二次元、三次元電子系物質についても調べること。具体的には、カーボンナノチューブやグラファイトなどのカーボン材料をドーピング素子に入れる、あるいは他物質との複合体を作製して、光学応答を評価すること。BEDT-TTF化合物などの低次元電子系をもつ有機電荷移動錯体を対象として、光学応答を評価すること。