前回に引き続き、2019年度の10号目のネイチャーのハイライトより。
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物性物理学：ねじれた二次元半導体ヘテロ構造における混成励起子
Nature 567, 7746
2019年3月7日
物性物理学：ねじれた二次元半導体ヘテロ構造における混成励起子
Nature 567, 7746
2019年3月7日
ねじれた2層グラフェンにおけるモット絶縁相と超伝導相の発見は、最近の物性物理学における主要な発見の1つである。これは、二次元（2D）材料をねじって垂直に積層したり、格子定数差がある2D材料を垂直に積層したりしてできるモアレ超格子から現れる新しい特性の一例である。今回A Tartakovskiiたちは、別のねじれた2層系、すなわち2D半導体MoSe_2/WS_2ヘテロ構造のオプトエレクトロニクス特性を調べ、層内励起子と層間励起子の混成によるモアレ超格子効果の増強について報告している。著者たちは、励起子のフォトルミネッセンスピークのシフトから明らかなように、ねじれ角によって混成の強さを連続的に調節できることを実証している。今回の知見は、バンド構造設計の代替法を実証するものであり、2Dモアレ光学探究の第一歩となる。
News & Views p.39
Letter p.71
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この論文はネイチャーのニュースにも取り上げられました。
日本語版本誌では、「物性物理学：平面世界の物質はねじれて輝く」と取り上げられました。
見出しにおいては、「今回4つの研究によって、2枚の単層物質を積み重ね、その結果得られる光学特性を片方の物質をもう片方に対してねじって変化させることによってもたらされる、大きな可能性が実証された。」と取り上げられています。
フルテキストを直訳しますと・・・
平地のねじれと輝きの素材
となります。
見出しを直訳しますと・・・
4つの研究は、単層材料のペアを積み重ね、1つの材料を他の材料に対してねじることにより、結果として生じる光学特性を変更することによってもたらされる大きな機会を示しています。
となります。
本文を直訳しますと・・・
原子的に薄い材料は、光と強く相互作用し、魅力的な磁気特性を持っているため、光学および電子工学の基礎研究と応用のために現在調査されています。 2つの異なる単層材料を接触させて二重層を形成すると、電子は原子層の平面内を自由に移動できなくなります。代わりに、層間の相互作用の結果として、モアレポテンシャルと呼ばれる空間的に周期的なポテンシャルエネルギーの変動に閉じ込められま[1]。これらのナノメートルスケールの電位は、異なる方向または格子定]]数を持つ層によって引き起こされます。これは、結晶格子内の単位格子の寸法を記述するパラメーターです。モアレポテンシャルは、このような二重層の光学特性を大きく変えると予測されていまそ[2]。 Nature[3–6]の4つの論文は、この予測を裏付ける発光と吸収の観測を報告しています。
遷移金属ジカルコゲナイド（TMD）と呼ばれる材料の単層は、面内共有結合が強いため、グラフェン（炭素原子の単層）と同様に剥離（バルク結晶からのシートの除去）によって生成できます。ただし、グラフェンとは異なり、原子的に薄いTMD結晶は、高エネルギー（伝導）電子バンドと低エネルギー（原子価）電子バンドの間にエネルギーギャップがある半導体です。その結果、光によって励起されるか、電圧を使用して注入されるこれらの材料の電荷キャリアは、光の粒子（光子）を放出することにより、伝導帯から価電子帯に緩和できます。
層間の弱い引力が剥離に役立つように、異なるTMDの2つの単層（二硫化タングステンと二セレン化モリブデンなど）を互いの上に積み重ねて、人工ヘテロバイレイヤー（図1a）を形成することもできます）。層がわずかに異なる格子定数を持つ周期的な結晶である場合、各層の電子特性は他の層の存在によって修正されます。特に、ヘテロ二分子層の電子状態とバンド構造は、原子の間隔と相対的な配列に依存します。
2つの層の格子定数のわずかな不一致のため、ヘテロ二層内の原子の配置は周期的に変化します。金属（モリブデンやタングステンなど）の原子は特定の点で互いの上に配置されますが、カルコゲンの原子（硫黄およびセレンとして）は、他のポイントで整列します[1]。レジストリとして知られるこれらの異なる原子の配置は、走査型トンネル顕微鏡法1によって検証されるように、価電子帯と伝導帯の異なるエネルギーをもたらします。その結果、ヘテロ二分子層の平面内の電子は周期的に変化するバンドの影響を受け、バンドエネルギーの変動が十分に大きい場合、電子はモアレポテンシャルに閉じ込められます。
このようなヘテロ二分子層の魅力的な特徴は、周期的なポテンシャルの調整可能性です。スタッキングプロセス中にわずかなねじれを追加したり、格子定数が異なる別の格子と格子を交換したりすると、空間的周期が異なるモアレポテンシャルが生じます。この機能により、層状材料の電子特性を根本的に新しい方法で調整できます。その結果、ヘテロ二分子層は、エキゾチックな量子現象を探索するための遊び場になりつつあります。むしろ、グラフェンのねじれた二分子層内の電子間の強い相互作用が電子輸送研究で超伝導の見事な観測につながったようです[7]。
現在の4つの論文は、TMDのヘテロ二分子層における発光と吸収に対するモアレポテンシャルの影響を調査しています。この研究には、グラフェン-窒化ホウ素ヘテロ二分子膜に関する研究と比較して、多くの新しい側面があります[1]。まず、異なる原子レジストリのバンドエネルギーの変動が大きくなります。第二に、TMD構造における発光[3,4]および吸収[5,6]は、励起子と呼ばれる結合状態を形成する電子および正孔（電子空孔）によって支配されます[8]。そして第三に、励起子は、ヘテロ二重層に周期的に配置された原子の局所対称性に依存する特定の偏光の光と相互作用します。
Tranら[3]は、電子と正孔が異なる層に存在する層間励起子を調査しました（図1b）。著者は、層間のねじれ角が小さい二セレン化モリブデン-二セレン化タングステンから発光スペクトルを得ました。彼らは、層間励起子に対応するスペクトルのピークを見つけ、ピーク間のエネルギー分離と放射の偏光がツイスト角に依存することを発見しました。これらの結果は、ヘテロ二分子膜の光学的および磁気的特性のナノスケールのパターニングを実現できる可能性があることを示しています[2,4]。
Seyler et al.[4]は、二セレン化モリブデン-二セレン化タングステン構造のモアレ電位に閉じ込められた個々の層間励起子を研究しました。彼らは、高度に偏光された光に対応し、磁場が印加されると複数のピークに分裂する発光スペクトルの線を検出しました。これらの輝線は、特定の励起子を形成した電子と正孔の磁気モーメントと谷（バンド構造の最小または最大）のフィンガープリントを提供します。ただし、放出が実際に特定のモアレポテンシャルに閉じ込められた単一の励起子から生じることを検証するには、光子アンチバンチングと呼ばれる現象に基づいた測定が必要であり、予想どおり、一度に放出される光子は1つだけであることを証明します[9]。
一方、Tran等。およびセイラー等。発光に焦点を当てたJinら[5]は、二セレン化タングステン-二硫化タングステンヘテロ二分子層のモアレ電位に起因する光吸収の変化の実験的特徴を検出しました。著者らは、電子と正孔が同じ層に存在する層内励起子を調べました[10]（図1b）。彼らは、これらの励起子に関連する強力で興味をそそる吸収特性は、印加電圧によって調整できることを示しました。
最後に、Alexeev et al.[6]は、伝導帯が両方の層で非局在化されるため、層内励起子を二セレン化モリブデン-二硫化タングステンヘテロ二層の層間励起子と混合（ハイブリッド化）できるという証拠を発見しました（図1c）。彼らは、この機能がモアレポテンシャルが光学特性に与える影響を増幅することを示しました。これらの混成状態は、層内励起子の強い光吸収と電界中の層間励起子の調整可能性を組み合わせることができます。この調整可能性は、層間励起子の永久電気双極子に起因します。
これらの研究および他の研究[10–12]は、2つの材料を組み合わせて、結果として得られる光学特性を単にねじれ角で変更することによって提供される機会を最初に垣間見せます。課題は、グラフェンと窒化ホウ素のヘテロ二分子層で観察されているように、堆積後にエネルギー的に好ましい構成に向かって回転する2つの積層単層の自然な傾向を制御することです。再構成と呼ばれるこの原子の局所的な再配列は、完全に周期的なポテンシャルからの逸脱を引き起こす可能性があり[13]、したがってモアレポテンシャルの不均一性をもたらします[14]。この問題に対するさらなる洞察は、剥離したヘテロ二分子層と化学蒸着と呼ばれる技術によって成長したサンプルとの間で生じる可能性のある違いを研究することによって得ることができます[15]。
これらの4つの論文では、空間分解能が通常1マイクロメートルの光学顕微鏡を使用して、わずか数十ナノメートルの周期性を持つモアレポテンシャルを調査しました。 10ナノメートルのオーダーの空間分解能を持つ「近接場」技術を使用することにより、個々の可能性に対処できます[16]。モアレポテンシャルのサイズと深さに応じて、閉じ込められた励起子の数は実際には1つになり、単一の光子のソースを提供します。最後に、ポテンシャル自体が周期的な調整可能な発光体の配列を提供する可能性があります。これは、2次元の「平坦地」における光学の多くの魅力的な展望の1つです。
となります。
フルテキストは下記です。
Full Text：News & Views p.39
Materials in flatland twist and shine
本論文においては、日本語版本誌では、「物性物理学：ファンデルワールスヘテロ構造のモアレ超格子における共鳴混成励起子」と題されています。
日本語版本誌では、「物性物理学：平面世界の物質はねじれて輝く」と取り上げられました。
見出しにおいては、「今回4つの研究によって、2枚の単層物質を積み重ね、その結果得られる光学特性を片方の物質をもう片方に対してねじって変化させることによってもたらされる、大きな可能性が実証された。」と取り上げられています。
フルテキストを直訳しますと・・・
平地のねじれと輝きの素材
となります。
見出しを直訳しますと・・・
4つの研究は、単層材料のペアを積み重ね、1つの材料を他の材料に対してねじることにより、結果として生じる光学特性を変更することによってもたらされる大きな機会を示しています。
となります。
本文を直訳しますと・・・
原子的に薄い材料は、光と強く相互作用し、魅力的な磁気特性を持っているため、光学および電子工学の基礎研究と応用のために現在調査されています。 2つの異なる単層材料を接触させて二重層を形成すると、電子は原子層の平面内を自由に移動できなくなります。代わりに、層間の相互作用の結果として、モアレポテンシャルと呼ばれる空間的に周期的なポテンシャルエネルギーの変動に閉じ込められま[1]。これらのナノメートルスケールの電位は、異なる方向または格子定]]数を持つ層によって引き起こされます。これは、結晶格子内の単位格子の寸法を記述するパラメーターです。モアレポテンシャルは、このような二重層の光学特性を大きく変えると予測されていまそ[2]。 Nature[3–6]の4つの論文は、この予測を裏付ける発光と吸収の観測を報告しています。
遷移金属ジカルコゲナイド（TMD）と呼ばれる材料の単層は、面内共有結合が強いため、グラフェン（炭素原子の単層）と同様に剥離（バルク結晶からのシートの除去）によって生成できます。ただし、グラフェンとは異なり、原子的に薄いTMD結晶は、高エネルギー（伝導）電子バンドと低エネルギー（原子価）電子バンドの間にエネルギーギャップがある半導体です。その結果、光によって励起されるか、電圧を使用して注入されるこれらの材料の電荷キャリアは、光の粒子（光子）を放出することにより、伝導帯から価電子帯に緩和できます。
層間の弱い引力が剥離に役立つように、異なるTMDの2つの単層（二硫化タングステンと二セレン化モリブデンなど）を互いの上に積み重ねて、人工ヘテロバイレイヤー（図1a）を形成することもできます）。層がわずかに異なる格子定数を持つ周期的な結晶である場合、各層の電子特性は他の層の存在によって修正されます。特に、ヘテロ二分子層の電子状態とバンド構造は、原子の間隔と相対的な配列に依存します。
2つの層の格子定数のわずかな不一致のため、ヘテロ二層内の原子の配置は周期的に変化します。金属（モリブデンやタングステンなど）の原子は特定の点で互いの上に配置されますが、カルコゲンの原子（硫黄およびセレンとして）は、他のポイントで整列します[1]。レジストリとして知られるこれらの異なる原子の配置は、走査型トンネル顕微鏡法1によって検証されるように、価電子帯と伝導帯の異なるエネルギーをもたらします。その結果、ヘテロ二分子層の平面内の電子は周期的に変化するバンドの影響を受け、バンドエネルギーの変動が十分に大きい場合、電子はモアレポテンシャルに閉じ込められます。
このようなヘテロ二分子層の魅力的な特徴は、周期的なポテンシャルの調整可能性です。スタッキングプロセス中にわずかなねじれを追加したり、格子定数が異なる別の格子と格子を交換したりすると、空間的周期が異なるモアレポテンシャルが生じます。この機能により、層状材料の電子特性を根本的に新しい方法で調整できます。その結果、ヘテロ二分子層は、エキゾチックな量子現象を探索するための遊び場になりつつあります。むしろ、グラフェンのねじれた二分子層内の電子間の強い相互作用が電子輸送研究で超伝導の見事な観測につながったようです[7]。
現在の4つの論文は、TMDのヘテロ二分子層における発光と吸収に対するモアレポテンシャルの影響を調査しています。この研究には、グラフェン-窒化ホウ素ヘテロ二分子膜に関する研究と比較して、多くの新しい側面があります[1]。まず、異なる原子レジストリのバンドエネルギーの変動が大きくなります。第二に、TMD構造における発光[3,4]および吸収[5,6]は、励起子と呼ばれる結合状態を形成する電子および正孔（電子空孔）によって支配されます[8]。そして第三に、励起子は、ヘテロ二重層に周期的に配置された原子の局所対称性に依存する特定の偏光の光と相互作用します。
Tranら[3]は、電子と正孔が異なる層に存在する層間励起子を調査しました（図1b）。著者は、層間のねじれ角が小さい二セレン化モリブデン-二セレン化タングステンから発光スペクトルを得ました。彼らは、層間励起子に対応するスペクトルのピークを見つけ、ピーク間のエネルギー分離と放射の偏光がツイスト角に依存することを発見しました。これらの結果は、ヘテロ二分子膜の光学的および磁気的特性のナノスケールのパターニングを実現できる可能性があることを示しています[2,4]。
Seyler et al.[4]は、二セレン化モリブデン-二セレン化タングステン構造のモアレ電位に閉じ込められた個々の層間励起子を研究しました。彼らは、高度に偏光された光に対応し、磁場が印加されると複数のピークに分裂する発光スペクトルの線を検出しました。これらの輝線は、特定の励起子を形成した電子と正孔の磁気モーメントと谷（バンド構造の最小または最大）のフィンガープリントを提供します。ただし、放出が実際に特定のモアレポテンシャルに閉じ込められた単一の励起子から生じることを検証するには、光子アンチバンチングと呼ばれる現象に基づいた測定が必要であり、予想どおり、一度に放出される光子は1つだけであることを証明します[9]。
一方、Tran等。およびセイラー等。発光に焦点を当てたJinら[5]は、二セレン化タングステン-二硫化タングステンヘテロ二分子層のモアレ電位に起因する光吸収の変化の実験的特徴を検出しました。著者らは、電子と正孔が同じ層に存在する層内励起子を調べました[10]（図1b）。彼らは、これらの励起子に関連する強力で興味をそそる吸収特性は、印加電圧によって調整できることを示しました。
最後に、Alexeev et al.[6]は、伝導帯が両方の層で非局在化されるため、層内励起子を二セレン化モリブデン-二硫化タングステンヘテロ二層の層間励起子と混合（ハイブリッド化）できるという証拠を発見しました（図1c）。彼らは、この機能がモアレポテンシャルが光学特性に与える影響を増幅することを示しました。これらの混成状態は、層内励起子の強い光吸収と電界中の層間励起子の調整可能性を組み合わせることができます。この調整可能性は、層間励起子の永久電気双極子に起因します。
これらの研究および他の研究[10–12]は、2つの材料を組み合わせて、結果として得られる光学特性を単にねじれ角で変更することによって提供される機会を最初に垣間見せます。課題は、グラフェンと窒化ホウ素のヘテロ二分子層で観察されているように、堆積後にエネルギー的に好ましい構成に向かって回転する2つの積層単層の自然な傾向を制御することです。再構成と呼ばれるこの原子の局所的な再配列は、完全に周期的なポテンシャルからの逸脱を引き起こす可能性があり[13]、したがってモアレポテンシャルの不均一性をもたらします[14]。この問題に対するさらなる洞察は、剥離したヘテロ二分子層と化学蒸着と呼ばれる技術によって成長したサンプルとの間で生じる可能性のある違いを研究することによって得ることができます[15]。
これらの4つの論文では、空間分解能が通常1マイクロメートルの光学顕微鏡を使用して、わずか数十ナノメートルの周期性を持つモアレポテンシャルを調査しました。 10ナノメートルのオーダーの空間分解能を持つ「近接場」技術を使用することにより、個々の可能性に対処できます[16]。モアレポテンシャルのサイズと深さに応じて、閉じ込められた励起子の数は実際には1つになり、単一の光子のソースを提供します。最後に、ポテンシャル自体が周期的な調整可能な発光体の配列を提供する可能性があります。これは、2次元の「平坦地」における光学の多くの魅力的な展望の1つです。
となります。
フルテキストは下記です。
Full Text：News & Views p.39
Materials in flatland twist and shine
本論文においては、日本語版本誌では、「物性物理学：ファンデルワールスヘテロ構造のモアレ超格子における共鳴混成励起子」と題されています。
フルテキストを直訳しますと・・・
ファンデルワールスヘテロ構造のモアレ超格子における共鳴混成励起子
となり、Abstractを直訳しますと・・・
二次元材料の原子的に薄い層は、比較的弱いファンデルワールス力によって互いに保持される垂直スタックに組み立てることができ、不整合格子と任意の相互回転を伴う単層結晶間の結合を可能にします[1,2]。その結果、構成結晶構造の局所的な原子レジストリに包括的な周期性が現れます。これはモアレ超格子として知られています[3]。グラフェン/六方晶窒化ホウ素構造[4]では、モアレ超格子の存在が電子ミニバンドの観測につながる可能性があります[5,6,7]、一方、ねじれたグラフェン二重層ではその効果は層間共鳴条件によって強化され、魔法での超伝導体-絶縁体転移をもたらします―ねじれ角[8]。ここでは、不整合モリブデン二セレン化モリブデン（MoSe_2）および二硫化タングステン（WS_2）単層から組み立てられた半導体ヘテロ構造を使用して、励起子バンドがハイブリダイズし、モアレ超格子効果の共鳴増強をもたらすことを実証します。 MoSe_2とWS_2は、内部および層間励起子のハイブリダイゼーションを促進するために、伝導帯のエッジの縮退に近いものとして選択されました。ハイブリダイゼーションは、隣接する単分子層の電子状態のねじれ依存性重ね合わせに結合するMoSe_2に存在するホールによって形成されるハイブリッド化励起子として形成される、層間回転角の周期関数としての顕著な励起子エネルギーシフトを通じて現れます。単分子層のペアがほぼ整列しているヘテロ構造の場合、電子状態の共鳴混合により、ハイブリッド励起子の分散と光学スペクトルに対するヘテロ構造の幾何学的モアレパターンの顕著な効果がもたらされます。私たちの調査結果は、van der Waalsヘテロ構造に基づく半導体デバイスのバンド構造エンジニアリングの戦略を支えています[9]。
となります。
Mainを数式が出る前まで直訳しますと・・・
遷移金属ジカルコゲナイド（TMD）の単層から組み立てられたファンデルワールスヘテロ構造は、光との強力な相互作用、高速な層間電荷移動、谷に依存する光学選択ルールのユニークな組み合わせを示し[10]、新しいオプトエレクトロニクスおよびバレートロニック用途の可能性を示します[10,11] 。六方晶窒化ホウ素（hBN）[5,6,7]に結合したグラフェン、およびねじれたグラフェン二重層のモアレ超格子の理解はかなり進歩したが、TMDヘテロ二重層の場合、この超格子の効果は主に理論的に調べられてきた[12,13] 。実験的に、半導体ヘテロ二分子層のねじれ角は、層間励起子（隣接層にある結合電子と正孔）のフォトルミネッセンス効率に影響することがわかった[10,14,15]。運動量および空間的に間接的な励起子の光子放出エネルギーの変動は、ねじれたMoS_2 / WSe_2ヘテロ2重層で報告されており、[16]で観察されたものと同様に、ねじれ角に依存する層間軌道ハイブリダイゼーションによって引き起こされるバンド構造の変動の観点から解釈されましたねじれたMoS_2二重層に関する以前の報告[17,18]。最新の実験では、バンド端離調が大きいTMDのヘテロ二重層のモアレポテンシャル井戸内の励起子の局在化が報告されています[19,20]。
ここでは、モアレ超格子効果と、MoSe_2 / WS_2ヘテロバイレイヤーにおける層内励起子と層間励起子のねじれ制御ハイブリダイゼーションとの相互作用を報告します。単層結晶がほぼ完全に整列すると、これら2つの単層半導体のほぼ縮退した伝導帯エッジによるハイブリダイゼーション強度の共鳴増強が観察されます[21]（図1a）。化学蒸着（CVD）によって成長した単分子層または機械的に剥離した単分子層のいずれかから製造された、さまざまな中間層の向きをもつ多数のヘテロ二分子層を研究することにより、ハイブリダイゼーションの強さをツイスト角で連続的に調整できることを示しています。これは、最大60 meVの混成励起子状態の光ルミネセンスピークのねじれ依存性の赤方偏移として現れます。さらに、結晶間のほぼ完全な配列により、反射コントラストスペクトルに追加の特徴が生じます。これらは、モアレ超格子効果の結果として形成される混成励起子ミニバンドから生じることを提案します。
図1bに定義されているように、さまざまなツイスト角θを持つMoSe_2 / WS_2ヘテロ二分子層について、幅広い温度範囲でフォトルミネッセンスと反射コントラストの研究を行いました。 CVDで成長した単層から製造された100を超えるヘテロ二層と、機械的に剥離された単層から調製された5つの高品質ヘテロ二層を使用しました。図1c、dは、これらのヘテロ構造のフォトルミネッセンス画像[22]を示しています。図2aは、CVDで成長させたMoSe2およびWS2単層の室温フォトルミネッセンススペクトルと、θ= 2°で作製したMoSe_2 / WS_2ヘテロ構造を比較しています。ヘテロ二層領域では、MoSe_2とWS_2の層内A励起子ピークに近いエネルギーで（主な光学遷移の起源については図1aを参照）、2つのフォトルミネセンスピークP1とP2が観察されます。 P2は、周囲の単層WS2から収集された強い信号により、単層WS2のフォトルミネッセンスラインと同じエネルギー（約1.96 eV）で現れます（図1dを参照）。対照的に、P1は、1.573 eVのMoSe2 A励起子線に対して57 meVの赤方偏移を示します。
図2bは、ねじれ角が0°（赤）と60°（青）に近いヘテロ二分子層のP1に焦点を当てた正規化された光ルミネセンススペクトルを示しています。特に、P1のピークエネルギーはねじれ角に強く依存し、スタッキングが格子配列（θ= 0°）または反配列（θ= 60°）に近づくにつれて連続的に減少します。これを図2cに要約します。2つの異なる傾向が見られます。θが0°および60°に近い場合のピークエネルギーの急峻な変動（約60 meV）と、大きなミスアライメント角度の場合の約1.56 eVのプラトーです。 （8°<θ<52°）。 P1の積分強度と線幅は、θが30°から離れるにつれて徐々に変化します（拡張データ図1a）。線幅は、0°および60°に近いツイスト角で追加の急激な増加を示します。これは、観測されたピークエネルギーの変動に似ています（拡張データ図1b）。
となります・・・。ここまで、直訳しましたが、後で観てみると、観覧できなくなってます（苦笑）買った覚えはないのですが・・・。
フルテキストは下記です。詳細が必要な方はご購入をお願いいたします。
Full Text：Letter p.71
Data availabilityによりますと・・・
図に使用されるデータセット。 2–5および拡張データ図。 1、4–9はソースデータとして提供されます。他のすべてのデータは、合理的な要求に応じて、対応する著者から入手できます。
究極に溜まりに溜まったネイチャー。次回は、「分子生物学：雌の胚は複製によるストレスと炎症に影響を受けやすい」を取り上げます。
※体調がすぐれず巡回等が大変に遅れており、本当に申し訳ありません。
