(注1)によって非常に薄くて小さい原子層フレーク(注2)の電子構造を直接観測する手法を確立しました。◆2層〜5層のWTe2(注3)における電子構造の観測に成功しました。◆層数の偶奇に強く依存した電子構造を明らかにし、その起源を解明しました。有田亮太郎教授らの研究グループと共同で、原子レベルに薄い2次元物質WTe2の電子構造の直接観測に成功し、層数の偶奇によって大きく異なる電子構造が形成されることを明らかにしました。テープを用いてグラファイト(注4)を剥離することによって得られる単層グラフェン(注5)の特異な物性に代表されるように、物質を極限まで薄くした2次元物質では物性が劇的に変化することが広く知られています。meVのスピン分裂(注6)を示すことを見出しました。これまで2次元物質科学の分野では極限に薄い単層物質に多くの注目が集まっていましたが、本研究によって、数層の厚さの領域において極めて豊かな新奇物性が発現し得るという物性探査の指針が得られました。Research」オンライン版に6月27日(米国東部夏時間)に掲載されました。4.発表内容:<研究の背景>剥離法を用いて簡便にグラファイトから単層グラフェンを作製できることが明らかとなって以来、さまざまな原子層フレーク試料の電気伝導特性が調べられてきました。原子間隔と同程度まで薄くした2次元物質では、その層数に応じて物性が大きく変化します。それは、積層方向における「終端」の出現による結晶構造の対称性の低下や閉じ込め効果によって電子構造が劇的に変化するためだと考えられています。(注7)によるシミュレーション結果を比較することによって研究が進められてきました。入力に必要な結晶構造を実験的に決定するのは困難であり、また計算精度の問題もあることから、実験による電子構造の層数依存性の直接観測が強く望まれていました。電子構造を直接観測することのできる強力な実験手法ですが、光電子放出に伴う帯電の抑制、清浄表面の取得、表面敏感性(光電子脱出長は一般的に数Å程度)といった測定上の困難が伴います。(図2)を得ることに成功しました。その結果、2層~5層WTe2では層数の偶奇性に依存して異なる電子構造が形成されていることが明らかになりました。偶数層数では、電子スピン(電子自身がもつ微小な磁石)の自由度の数に対応して電子構造が明瞭に2つに分裂している様子が観測されました。これは、偶数層数のみ結晶構造の非対称性が強くなっていることを示しています。本研究グループは、結晶構造の対称性の考察を行うことによって、層数の偶奇性に応じた結晶構造の非対称性の振動の起源を解明しました。<今後の展望>本研究では、単層がどのように積層されるかに応じて、数層試料において特異な物性が発現し得ることを明らかにしました。試料作製方法は、異種原子層フレークの積層体やひねり角を加えて積層したツイスト積層体など、より複雑な試料の測定にも適応可能です。従来のバルク材料とは質的に異なる量子物性を発現する、究極に薄い原子層フレークを材料とした積層体の物性研究が進展することによって、次々世代デバイスの基盤技術の創出といった応用展開が期待されます。JP21H05236)の助成を受けて行われました。光を照射すると、電子(光電子)が試料から真空中へ放出される。その光電子の運動エネルギー、および脱出角度を調べることによって、物質中の電子のエネルギーと運動量を直接観測できる実験手法。注2)原子層フレーク原子数個分の厚さであるシート形状の試料。今回の研究では、テープを用いて繰り返し剥離することによって原子層フレークを作製することができる。注3)2層~5層WTe2タングステン(W)原子の歪んだ三角ネットワークがテルル(Te)原子の歪んだ三角ネットワークによって挟まれた結晶構造を単層とし、それが2層〜5層積み重なっている2次元物質。注4)グラファイトグラフェンが積層した構造を有する層状物質。注5)単層グラフェン炭素原子が蜂の巣形状にネットワークを作った、シート状の2次元物質。電子自身が有する磁石の性質であるスピンの自由度の数に対応して、電子構造が2つに分裂すること。基礎的な方程式を用いて、物質を構成する原子の種類と位置の情報から電子構造を計算する手法のこと。結晶構造さえ決まれば非経験的に電子構造を得ることができるため、性質の不明な新物質に対しても威力を発揮する。グラフェン(青破線)は大気による酸化の抑制をしており、WTe2(赤破線)の下のグラファイト(白破線)は光電子放出に伴う帯電を防ぐために金電極(黄色)に接触している。hBN(緑色)は積層を安定させるために用いている。積層順序の模式図は右下に示している。よって観測された2層から5層WTe2の電子構造。2層および4層において電子構造が2つに分裂している様子がわかる。