[スポンサーリンク]

一般的な話題

次世代の二次元物質 遷移金属ダイカルコゲナイド

[スポンサーリンク]

ムーアの法則の限界と二次元半導体

現代の半導体デバイス産業では、作製時の低コスト化や動作速度向上、高機能化に向けた微細化・集積化が進んでいる。中でも、半導体の表面に微細な電子回路を形成した集積回路では、回路上に搭載するトランジスタの数が増えるほど計算能力の向上が見込める。集積回路の微細化は、集積回路当たりのトランジスタの数が毎年2倍になるというムーアの法則[1]に従って発展してきた。しかし、三次元半導体のSiを使用したトランジスタを今以上に小さくすることは限界を迎えつつある。その原因は、Siを微細化しすぎることで界面が不安定になり、物性が消失するためである。その問題の突破口となる新たな材料の候補として、二次元材料が挙げられる。

代表的な二次元材料にグラフェンがあげられる。これは、炭素原子のみで構成された二次元物質である。グラフェンはπ軌道とπ*軌道が互いに重なっておらず、価電子帯の上端と伝導帯の下端が6つの点(Dirac point)でのみ接触したDirac cone構造という特殊なバンド構造を持つ(図1)。このため、グラフェンはゼロギャップ半導体とも呼ばれ、種々の興味深い性質を示すが、一方でグラフェンはそのままでは二次元半導体として用いることはできず、ドーピングやイオン注入などで欠陥を作製する必要がある。また、作成時のコストが非常に大きいという問題がある。

 

図1 グラフェンのフェルミ面[2]

次世代の二次元物質 遷移金属ダイカルコゲナイド

グラフェンに替わる二次元物質として、遷移金属ダイカルコゲナイド(Transition Metal Dichalcogenide, TMDC)に注目が集まっている。この物質は一層の遷移金属層をカルコゲン原子層がサンドイッチした構造をとっている。TMDCの一種であるMoSe2の単層構造を図2に示す。

図2 単層MoSe2の結晶構造

 

TMDCの物性は様々で、組成や結晶構造によって金属、半金属、半導体、絶縁体など多岐にわたる。TMDCの特徴的な点として層数によって物性が変化する層数依存性がある。TMDCの一種であるMoS2やMoSe2では、単層になると電子遷移が間接遷移から直接遷移に変化する(図3)。

図3 MoS2のバンドギャップの遷移[3]

量子ビットへの応用

TMDCを構成する遷移金属は強いスピン軌道相互作用を持っている。また、図2のようなハニカム構造を持つTMDCでは、バンド端で2つのエネルギーバンドが縮退している。このバンドは谷(Valley) 型の構造をとるため、この構造をバレーと呼び、この縮退をバレー縮退と呼ぶ。それぞれのバレーには異なる運動量を持った電子が入り、強いスピン軌道相互作用の影響により左右の円偏光で選択的に励起することができる(図4)。このことから、バレーは新たな量子自由度として用いることができる。この自由度はバレー自由度と呼ばれ、バレー自由度を用いて情報処理を行うエレクトロニクスをバレートロニクスと呼ぶ。現代の量子ビットは極低温下での利用が一般的であり、巨大な冷却装置を必要とする点が問題であったが、TMDCのバレー自由度を利用することで、室温かつ小型な量子コンピュータの開発が見込まれる。

図4 MoS2のバレー構造[4]

 

参考文献

[1] MIT Csail Alliances.  https://cap.csail.mit.edu/death-moores-law-what-it-means-and-what-might-fill-gap-going-forward

[2] Tsuneya A., The electronic properties of graphene and carbon nanotubes. NPG Asia Mater., 2009, 1(1), 17-21. DOI: 10.1038/10.1038/asiamat.2009.1

[3] Splendiani. A; Liang S.; Yuanbo Z.; Tianshu L.; Jonghwan K.; Chi-Yung C.; Giulia G.; Feng W. Emerging Photoluminescence in Monolayer MoS2. Nano Lett. 2010, 10(4), 1271-1275, DOI: 10.1021/nl903868w

[4] Di X.; Gui-Bin L.; Wanxiang F.; Xiaodong X.; Wang Y. Coupled Spin and Valley Physics in Monolayers of MoS2 and Other Group-VI Dichalcogenides, PRL, 2012, 108(19), 196802, DOI: 10.1103/PhysRevLett.108.196802  

植木 穂香

投稿者の記事一覧

奈良先端大のD1です。ポラリトンについて研究しています。

関連記事

  1. 兄貴達と化学物質+α
  2. リアル『ドライ・ライト』? ナノチューブを用いた新しい蓄熱分子の…
  3. ここまでできる!?「DNA折り紙」の最先端 ② ~巨大な平面構造…
  4. ジャーナル編集ポリシーデータベース「Transpose」
  5. 『Ph.D.』の起源をちょっと調べてみました① 概要編
  6. 有機反応を俯瞰する ー縮合反応
  7. ゴジラ級のエルニーニョに…出会った!
  8. 光触媒により脱炭酸反応における反応中間体の精密制御に成功!

注目情報

ピックアップ記事

  1. “ある特効薬”のはなし ~本田宗一郎氏の回想から
  2. 新たな特殊ペプチド合成を切り拓く「コドンボックスの人工分割」
  3. 分極したBe–Be結合で広がるベリリウムの化学
  4. 理化学機器のリユースマーケット「ZAI」
  5. もっと化学に光を! 今さらですが今年は光のアニバーサリーイヤー
  6. 「元素戦略プロジェクト」に関する研究開発課題の募集について
  7. Amazonを上手く使って書籍代を節約する方法
  8. 新型コロナの飲み薬モルヌピラビルの合成・生体触媒を用いた短工程化
  9. 農工大で爆発事故発生―だが毎度のフォローアップは適切か?
  10. フロー法で医薬品を精密合成

関連商品

ケムステYoutube

ケムステSlack

月別アーカイブ

2025年4月
 123456
78910111213
14151617181920
21222324252627
282930  

注目情報

最新記事

条件の「前後」も実験条件である【プロセス化学者のつぶやき】

前回まで1. 設定温度と系内の実温度のお話2. 温度値をどう判断するか3. 反応操作をし…

そのpH、“本当にその場所”の値ですか?ニードル式pHセンサーを使ってみた!

突然ですが、「培養の再現性がなんか悪い」「同じ条件のはずなのに結果がズレる」といった経験はあ…

「骨格編集」×「ナノカーボン合成」〜ナノカーボン合成の新戦略を実証〜

第719回のスポットライトリサーチは、名古屋大学大学院工学研究科(忍久保研究室)博士後期課程2年の平…

【書評】立体化学 はじめの一歩

立体化学は,分子の三次元構造を理解するための重要な分野であり,有機化学や…

水のシミュレーション入門 — 水分子を計算機の中でどう”描く”か —

身近なのに、計算機にとって手強い"水"。本記事では、点電荷モデルから機械学習まで、その"描き方"の進…

◆◇◆◇ 第36回フォーラム・イン・ドージン開催のご案内 ◆◇◆◇

同仁化学研究所が熊本から世界へ情報発信するフォーラム・イン・ドージンの開催ご案内です。今年は『な…

『力』による円偏光発光のon/off制御を単一分子レベルで実現

第718回のスポットライトリサーチは、東京科学大学 物質理工学院(相良研究室)博士後期課程2年の野中…

数日かかっていた反応機構解析を、わずか数分に!

機械学習ポテンシャルが変える計算化学の現在近年、DFT計算による反応機構解析は広く行われるよ…

海外ポスドクのオファーをもらう【アメリカで Ph.D. を取る: 進路編】

ポスドクとして海外に留学する場合、希望する研究室の教授に直接連絡を取り、面接などを通して適性を判断さ…

MDで観るトライボロジー 〜原子が擦れるその場をシミュレーション〜

軽くて強いのに摩耗に弱いチタン合金は、航空機や人工関節に広く使われています。原子が擦れ合うその場を分…

実験器具・用品を試してみたシリーズ

スポットライトリサーチムービー

PAGE TOP