ファンデルワールス・ヘテロ接合の物理と機能

2022 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 19H05602
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 岩佐 義宏 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (20184864)
• 研究期間 (年度): 2019-06-26 – 2024-03-31
• キーワード: ２次元物質 / ファンデルワールスヘテロ接合 / 非線形現象 / 電界効果

研究実績の概要

2022-2023年度は、従来から続けていた磁性ファンデルワールス（vdW）ヘテロ接合におけるフェロバレー強磁性の実現を論文発表することができた（Nature Communications）。一方で、多くの資源を2次元磁性体のMBEによる作製と評価、2次元物質の非相反輸送現象（バルク光起電力と非相反輸送現象）とインターカレーションの研究に割いた。
MBEによる物質開発としては、CrをインターカレートしたNbSe2の作製と角度分解高電子分光によって、バンド交差を有するトポロジカルバンド構造をもつことを明らかにした（Phys Rev Research）。また、インタ―カレーション化合物Cr3Te4を多層から2層まで作製し、強磁性転移温度が全く総数依存しない、面直異方性が非常に強い2次元強磁性体であることを証明した（Nano Letters）。
2次元強磁性へのアルカリ金属インターカレーションにおいては、南京大学との共同研究として、Fe5GeTe2 においてキャリア数変化によって強磁性転移温度と磁気異方性の制御が可能であること初めて明らかにした（Nature Electronics）。
非相反輸送現象の研究においては、今回はじめて温度低下に伴って非極性―極性構造への構造相転移を起こすMoTe2に適用した。その結果、構造相転移直下ではなく、かなり低温になって初めて非相反信号が増強されることが明らかになり、半金属特有のバンド構造の効果が非相反信号の増強に重要な役割を果たすことを明らかにした（Phys Rev Research）。
バルク光起電力の研究では、カナダのUBCグループとの共同研究が特筆される。3R-MoS2では、面直方向のバルク光起電力効果を初めて観測することに成功した(Nature Photonics)。

現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

本研究は、２次元物質やvdWヘテロ接合を中心とした物質開発と、それによって実現される相制御と非線形伝導現象の解明を行う目的で開始された。しかし、期間中に２次元層状物質へのインターカレーションと、ひずみデバイスを導入した結果、初期には予想もしなかった発展がもたらされている。
これは、今回報告した論文7報の内訳にも表れており、MBEによる2次元磁性体の作製と物性2報、vdWヘテロ接合に関する論文1報、非線形伝導2報という初期の目的に沿った研究成果に加え、インターカレーションによる磁性制御1報、ひずみ効果による論文が1報が出版されている。以下では新機軸によって得られた２つの成果を説明する。なお上記７報のうち、２報は国際共同研究である。
第1は中国南京大学との共同研究として行われた2次元磁性半金属のインターカレーションによるキャリア数制御で、これにより磁気異方性をキャリア数で制御できることを明らかにすることができた（Nature Electronics）。
第２に、2022年に開始され2023年に論文が発表されたひずみ効果によるバルク光起電力の増強（Nature Nanotechnology）が、あげられる。バルク光起電力は、MoS2において、三回回転対称性の構造からは許容されているにもかかわらず実験的には観測されない。これは10年前から知られており、未解決の問題である。本グループは三回対称の結晶に1軸性ひずみを印加し、電気分極を誘起することによってバルク光起電力が誘起されることを発見した。これは、へき開によって得られる2次元結晶のデバイスにひずみを印加する技術を開発することによって得られた成果であり、今後対称性制御と非線形伝導との関係を解明する有力な手法になると考えられる。
このように、本来の目的に沿った研究と新しい機軸の研究からともに成果が上がっていることが上記の判断の根拠である。

今後の研究の推進方策

本研究は、２次元物質やvdWヘテロ接合を中心とした物質開発、特に対称性の制御と非線形伝導現象の開明を行う目的で開始されたが、その後、インターカレーションやひずみ効果など、新しい物質開発、制御法の導入を行った結果、予想外の発展を遂げている。この方針を受けて、2023年度以降も、①Cr3Te4へのインターカレーションによる磁性制御、②2次半導体MoS2へのアルカリ金属インターカレーションによる構造相転移と超伝導の解明、③超伝導ダイオード効果の歪み効果などのテーマに拡張してゆく計画である。特に、①は強磁性半金属における新しい磁気秩序発現機構につながると期待している。
しかしながら一方でファンデルワースルヘテロ接合による新物質開発が手薄になってしまった。本研究前半では、WSe2/黒リンvdWヘテロ接合を用いた電気分極制御や、NbSe2/V5Se8における磁性vdWヘテロ接合によるフェロバレー強磁性の発現などを実現してきたが、これらの研究からvdWヘテロ接合が対称性を意図的制御に非常に有効であることが明らかになった。研究終了に向けて、その方向をさらに発展させ、新規磁性vdWヘテロ接合に展開する。具体的には、異なる2次元強磁性体のヘテロ接合で、面直強磁性と面内強磁性の単層～数層のヘテロ接合である。これまで２次元物質における磁性vdWヘテロ接合の研究は専ら共線的磁気構造が対象となっていたが、ここでは非共線的なスピン構造をもつvdWヘテロ接合の研究を行う。逆ジャロシンスキー守谷相互作用による分極発生、トロイダルモーメントなどの多極子秩序などが期待され、今後の新たな発展につながる可能性のある分野である。
以上のように、残された期間では、本研究の中心となるvdWヘテロ接合と、新展開としてのインターカレーションやひずみ効果などによって、2次元物質、vdW物質特有の物質科学の形成に貢献する。

研究成果

• [国際共同研究] University of British Columbia(カナダ)
  • 国名: カナダ
  • 外国機関名: University of British Columbia
• [国際共同研究] Nanjing University/Yanshan University/Beihang University(中国)
  • 国名: 中国
  • 外国機関名: Nanjing University/Yanshan University/Beihang University
• [国際共同研究] Max Planck Institute(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: Max Planck Institute
• [雑誌論文] Low-temperature phase transition in polar semimetal Td-MoTe2 probed by nonreciprocal transport (2023)
  • 著者名/発表者名: Itahashi Yuki M.、Nohara Yamato、Ideue Toshiya、Akiba Tomoki、Takahashi Hidefumi、Ishiwata Shintaro、Iwasa Yoshihiro
  • 雑誌名: Physical Review Research 巻: 5 ページ: -
  • DOI: 10.1103/PhysRevResearch.5.L022022
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Spontaneous-polarization-induced photovoltaic effect in rhombohedrally stacked MoS2 (2022)
  • 著者名/発表者名: Yang Dongyang、Wu Jingda、Zhou Benjamin T.、Liang Jing、Ideue Toshiya、Siu Teri、Awan Kashif Masud、Watanabe Kenji、Taniguchi Takashi、Iwasa Yoshihiro、Franz Marcel、Ye Ziliang
  • 雑誌名: Nature Photonics 巻: 16 ページ: 469～474
  • DOI: 10.1038/s41566-022-01008-9
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Spontaneous spin-valley polarization in NbSe2 at a van der Waals interface (2022)
  • 著者名/発表者名: Matsuoka Hideki、Habe Tetsuro、Iwasa Yoshihiro、Koshino Mikito、Nakano Masaki
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 13 ページ: -
  • DOI: 10.1038/s41467-022-32810-2
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Signature of topological band crossing in ferromagnetic Cr1/3NbSe2 epitaxial thin film (2022)
  • 著者名/発表者名: Saika Bruno Kenichi、Hamao Satoshi、Majima Yuki、Huang Xiang、Matsuoka Hideki、Yoshida Satoshi、Kitamura Miho、Sakano Masato、Hatanaka Tatsuto、Nomoto Takuya、Hirayama Motoaki、Horiba Koji、Kumigashira Hiroshi、Arita Ryotaro、Iwasa Yoshihiro、Nakano Masaki、Ishizaka Kyoko
  • 雑誌名: Physical Review Research 巻: 4 ページ: -
  • DOI: 10.1103/PhysRevResearch.4.L042021
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Layer-Number-Independent Two-Dimensional Ferromagnetism in Cr3Te4 (2022)
  • 著者名/発表者名: Wang Yue、Kajihara Shun、Matsuoka Hideki、Saika Bruno Kenichi、Yamagami Kohei、Takeda Yukiharu、Wadati Hiroki、Ishizaka Kyoko、Iwasa Yoshihiro、Nakano Masaki
  • 雑誌名: Nano Letters 巻: 22 ページ: 9964～9971
  • DOI: 10.1021/acs.nanolett.2c03532
  • 査読あり
• [雑誌論文] Continuous manipulation of magnetic anisotropy in a van der Waals ferromagnet via electrical gating (2022)
  • 著者名/発表者名: Tang Ming、Huang Junwei、Qin Feng、Zhai Kun、Ideue Toshiya、Li Zeya、Meng Fanhao、Nie Anmin、Wu Linglu、Bi Xiangyu、Zhang Caorong、Zhou Ling、Chen Peng、Qiu Caiyu、Tang Peizhe、Zhang Haijun、Wan Xiangang、Wang Lin、Liu Zhongyuan、Tian Yongjun、Iwasa Yoshihiro、Yuan Hongtao
  • 雑誌名: Nature Electronics 巻: - ページ: -
  • DOI: 10.1038/s41928-022-00882-z
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Giant bulk piezophotovoltaic effect in 3R-MoS2 (2022)
  • 著者名/発表者名: Dong Yu、Yang Ming-Min、Yoshii Mao、Matsuoka Satoshi、Kitamura Sota、Hasegawa Tatsuo、Ogawa Naoki、Morimoto Takahiro、Ideue Toshiya、Iwasa Yoshihiro
  • 雑誌名: Nature Nanotechnology 巻: 18 ページ: 36～41
  • DOI: 10.1038/s41565-022-01252-8
  • 査読あり
• [学会発表] Physics of nanomaterials;from bulk to device (2023)
  • 著者名/発表者名: 岩佐義宏
  • 学会等名: Symposium on nanoscale sciences:Current and future perspective,
  • 招待講演
• [学会発表] "TaSe2を用いた磁性ファンデルワールスヘテロ構造における磁気近接効果" (2023)
  • 著者名/発表者名: 遠藤幹大, 武藏摩紀, 梶原駿, 松岡秀樹, 岩佐義宏, 中野匡規
  • 学会等名: 日本物理学会 2023年春季大会
• [学会発表] Rectification effect in a two-dimensional polar Ising superconductor (2023)
  • 著者名/発表者名: Tomoki Kawamoto, Hideki Matsuoka, Kanta Endo, Maki Musashi, Yuki Tanaka, Masaki Nakano, Yoshihiro Iwasa
  • 学会等名: The 11th International Workshop on 2D Materials,
  • 国際学会
• [学会発表] 二次元極性イジング超伝導体における非相反輸送特性 (2023)
  • 著者名/発表者名: 川本知輝, 松岡秀樹, 武藏摩紀, 田中勇貴, 遠藤幹大, 小川直毅, 岩佐義宏, 中野匡規
  • 学会等名: 第14回 低温科学研究センター研究交流会
• [学会発表] "単結晶薄膜Cr1/4NbSe2における新奇な低温電子状態の解明" (2023)
  • 著者名/発表者名: 濱尾智, Bruno Kenichi Saika, 黄驤, 真島裕貴, 松岡秀樹, 北村未歩, 坂野昌人, 畑中樹人, 野本拓也, 平山元昭, 堀場弘司, 組頭広志, 有田亮太郎, 岩佐義宏, 中野匡規, 石坂香子
  • 学会等名: 第14回 低温科学研究センター研究交流会
• [学会発表] "層状金属TaSe2を用いた磁性ファンデルワールスヘテロ構造の作製と磁性変調" (2023)
  • 著者名/発表者名: 遠藤幹大、武藏摩紀、梶原駿、松岡秀樹、岩佐義宏、中野匡規
  • 学会等名: 第14回 低温科学研究センター研究交流会
• [学会発表] テラヘルツ波を用いた3R-Ta1+xSe2の電荷密度波相の非熱的融解とそのダイナミクス" (2023)
  • 著者名/発表者名: 鳴坂潮, 吉川尚孝, 松岡秀樹, 田中勇貴, 武藏摩紀, 中野匡規, 岩佐義宏, 島野亮
  • 学会等名: 第14回 低温科学研究センター研究交流会
• [学会発表] Nonreciprocal transport and lower temperature phase transition in polar semimetal MoTe2 (2023)
  • 著者名/発表者名: Y. Itahashi, Y. Nohara, T. Ideue, T. Akiba, H. Takahashi, S. Ishiwata, Y. Iwasa
  • 学会等名: The 11th International Workshop on 2D Materials
  • 国際学会
• [学会発表] Nonlinear transport and low temperature phase transition in polar semimetal MoTe2 (2023)
  • 著者名/発表者名: Y. Itahashi, Y. Nohara, T. Ideue, T. Akiba, H. Takahashi, S. Ishiwata, Y. Iwasa
  • 学会等名: American Physical Society (APS) March Meeting 2023
  • 国際学会
• [学会発表] 106.2次元超伝導における渦糸問題とBCS-BECクロスオーバー (2022)
  • 著者名/発表者名: 岩佐義宏
  • 学会等名: 第２８回渦糸物理ワークショップ
  • 招待講演
• [学会発表] 105.デバイスを用いた物理科学 (2022)
  • 著者名/発表者名: 岩佐義宏
  • 学会等名: NanoHubワークショップVol.1"NanoHub教員による新規デバイス研究紹介～物性・材料・電子～
  • 招待講演
• [学会発表] ZrNCIの密度誘起2次元BCS-BECクロスオーバー (2022)
  • 著者名/発表者名: 岩佐義宏
  • 学会等名: 日本物理学会
  • 招待講演
• [学会発表] Symmetry Engineering and Nonlinear Transport in Nanostructures of Transition Metal Dichalcogenides (2022)
  • 著者名/発表者名: Yoshihiro Iwasa
  • 学会等名: Hong Kong Forum of Physics 2022:Frontiers of Quantum Materials Research,
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Symmetry Engineering in Nanostructures of Transition Metal Dichalcogenides (2022)
  • 著者名/発表者名: Yoshihiro Iwasa
  • 学会等名: 2022MRS(Materials Research Society) Fall Meeting & Exhibit,
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Density controlled BCS-BEC crossover in 2D superconductor (2022)
  • 著者名/発表者名: Yoshihiro Iwasa
  • 学会等名: RPGR2022 TAIPEI TAIWAN The 13th Recent Progress in Graphene and Two-dimensional
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Emergent properties of 2D materials and van der Waals heterostructures (2022)
  • 著者名/発表者名: Yoshihiro Iwasa
  • 学会等名: The 22nd International Vacuum Congress IVC-22
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Nonlinear transport in 2D van der Waals materials (2022)
  • 著者名/発表者名: Yoshihiro Iwasa
  • 学会等名: APPC15(the 15th Asia pacific physics conference)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Density driven BCS-BEC crossover in 2D superconductors (2022)
  • 著者名/発表者名: Yoshihiro Iwasa
  • 学会等名: 29thInternational Conference on Low Temperature Physics (LT29)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Density driven BCS-BEC crossover in 2D supercpnductors (2022)
  • 著者名/発表者名: Yoshihiro Iwasa
  • 学会等名: ECRYS-2022(International School and Workshop on Electronic Crystals),
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Nonlinear transport in 2D layered materials (2022)
  • 著者名/発表者名: Yoshihiro Iwasa
  • 学会等名: ECRYS-2022(International School and Workshop on Electronic Crystals),
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Nonlinear transport in 2D layered materials (2022)
  • 著者名/発表者名: Yoshihiro Iwasa
  • 学会等名: The 10th International Workshop on 2D Materials, A3
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Vortex Dynamics in Density Controlled 2D Superconductors (2022)
  • 著者名/発表者名: Yoshihiro Iwasa
  • 学会等名: Two Dimensional Electronics Beyond Graphene Gordon Research Conference, GRC,
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Nanomaterials and devices. (2022)
  • 著者名/発表者名: Yoshihiro Iwasa
  • 学会等名: NRF workshop on Big ideas in "Atomic Scale Interface Engineering", NRF, online
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Van der Waals interfacial proximity effect induced spin polarization in NbSe2" (2022)
  • 著者名/発表者名: Hideki Matsuoka, Tetsuro Habe, Yoshihiro Iwasa, Mikoto Koshino, Masaki Nakano
  • 学会等名: The 13th Recent Progress in Graphene and Two-dimensional Materials Research Conference,
  • 国際学会
• [学会発表] "Nonreciprocal transport properties in a polar Ising superconductor" (2022)
  • 著者名/発表者名: Hideki Matsuoka, Maki Musashi, Yuki Tanaka, Kanta Endo, Naoki Ogawa, Yoshihiro Iwasa, Masaki Nakano
  • 学会等名: The 13th Recent Progress in Graphene and Two-dimensional Materials Research Conference, Taipei, Taiwan,
  • 国際学会
• [学会発表] "3R-TaSe2を用いた磁性vdWヘテロ構造の作製とスピン物性の開拓" (2022)
  • 著者名/発表者名: 遠藤幹大、松岡秀樹、武藏摩紀、岩佐義宏、中野匡規
  • 学会等名: 2022年 第83回応用物理学会秋季学術講演会、
• [学会発表] HAXPESを用いた酸化物薄膜評価" (2022)
  • 著者名/発表者名: 田口宗孝、水谷天勇、佐瀬輝彦、田中哲、松岡秀樹、中野匡規、和達大樹、堀場弘司、北村未歩、岩佐義宏、組頭広志、藤井景子、吉木昌彦
  • 学会等名: 第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] "Relationship between in-plane superstructures of Cr ions and magnetism in Cr-intercalated NbSe2 epitaxial thin films" (2022)
  • 著者名/発表者名: Xiang Huang, Satoshi Hamao, Bruno Kenichi Saika, Yuki Majima, Hideki Matsuoka, Masato Sakano, Yoshihiro Iwasa, Kyoko Ishizaka, Masaki Nakano
  • 学会等名: 日本物理学会 2022年秋季大会、東京工業大学
• [学会発表] "角度分解光電子分光によるCr1/4NbSe2薄膜におけるバンド構造の温度変化の観測" (2022)
  • 著者名/発表者名: 濱尾智, Bruno Kenichi Saika, 黄驤, 真島裕貴, 松岡秀樹, 北村未歩, 坂野昌人, 野本拓也, 平山元昭, 堀場弘司, 組頭広志, 有田亮太郎, 岩佐義宏, 中野匡規, 石坂香子
  • 学会等名: 日本物理学会 2022年秋季大会、東京工業大学（大岡山キャンパス）（2022年9月13日）
• [学会発表] "Signature of topological band crossing in ferromagnetic Cr1/3NbSe2 epitaxial thin film" (2022)
  • 著者名/発表者名: Bruno Kenichi Saika, Satoshi Hamao, Yuki Majima, Xiang Huang, Hideki Matsuoka, Satoshi Yoshida, Miho Kitamura, Masato Sakano, Takuya Nomoto, Motoaki Hirayama, Koji Horiba, Hiroshi Kumigashira, Ryotaro Arita, Yoshihiro Iwasa, Masaki Nakano, and Kyoko Ishizaka
  • 学会等名: 日本物理学会 2022年秋季大会
• [学会発表] 極性イジング超伝導体におけるバルク整流効果 (2022)
  • 著者名/発表者名: 松岡秀樹, 武藏摩紀, 田中勇貴, 遠藤幹大, 小川直毅, 岩佐義宏, 中野匡規
  • 学会等名: 日本物理学会 2022年秋季大会
• [学会発表] Distinct magnetic phases in Cr3Te4 epitaxial thin films (2022)
  • 著者名/発表者名: Yue Wang, Masaki Nakano, Shun Kajihara, Hideki Matsuoka, Yoshihiro Iwasa
  • 学会等名: 29th International Conference on Low Temperature Physics,
  • 国際学会
• [学会発表] Ferromagnetic state in NbSe2 at van der Waals interface (2022)
  • 著者名/発表者名: Hideki Matsuoka, Tetsuro Habe, Yoshihiro Iwasa, Mikito Koshino, Masaki Nakano
  • 学会等名: 29th International Conference on Low Temperature Physics
  • 国際学会
• [学会発表] Second-order nonlinear transport under time reversal symmetry in trigonal superconductor PbTaSe2 (2022)
  • 著者名/発表者名: Y. Itahashi, T. Ideue, S. Hoshino, C. Goto, H. Namiki, T. Sasagawa and Y. Iwasa
  • 学会等名: Recent Progress in Graphene & 2D Materials Research 2022
  • 国際学会
• [学会発表] Second harmonic transport under time reversal symmetry in trigonal superconductor PbTaSe2 (2022)
  • 著者名/発表者名: Y. Itahashi, T. Ideue, S. Hoshino, C. Goto, H. Namiki, T. Sasagawa and Y. Iwasa
  • 学会等名: 29th International Conference on Low Temperature Physics
  • 国際学会
• [学会発表] Colossal bulk piezophotovoltaic effect of 3R stacking MoS2 (2022)
  • 著者名/発表者名: Yu Dong, Ming-Min Yang, Mao Yoshii, Satoshi Matsuoka, Sota Kitamura, Tatsuo Hasegawa, Naoki Ogawa, Takahiro Morimoto, Toshiya Ideue & Yoshihiro Iwasa
  • 学会等名: Two Dimensional Electronics Beyond Graphene (Gordon Research Conference)
  • 国際学会
• [備考] 2次元結晶の積層構造由来の電気分極を反映した光起電力応答を発見
  • URL: https://www.t.u-tokyo.ac.jp/press/pr2022-05-30-001
• [備考] 二次元金属に「フェロバレー強磁性」を誘起することに成功
  • URL: https://www.t.u-tokyo.ac.jp/press/pr2022-09-16-001
• [備考] 電気的な偏りのない層状結晶に歪みを加えて面内に電荷の偏りと光起電力効果を実現
  • URL: https://www.riken.jp/press/2022/20221125_3/index.html