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天然の状態にない2次元半導体の性質の人工的誘導に成功

延世大とソウル大が共同研究、グラフェンの特性であるディラック粒子をフォスフォレンで発生


韓国研究財団(チョムジェ理事長)は延世大学校のキム・グンス教授チームがソウル大学校のヤン・ボムジョン教授チーム、延世大学校のチェ・ヒョンジュン教授研究チームと共同でグラフェンの主要な特性であるディラック粒子を人為的に誘導することに成功したと12月3日に発表した。

2次元半導体は原子一層の厚さの平面構造をもつ新物質。炭素(C)原子から成るグラフェンとリン(P)因子から成る髪の毛の太さの10万分の1水準のフォスフォレンが代表的。代表的な2次元半導体で夢の新素材と呼ばれるグラフェンはディラック粒子(光のように有効質量が0の状態で動く相対論な粒子)をもち電荷移動が非常に速いが、バンドギャップがなく外部の電気信号を利用した電流の流れの制御が容易ではなく半導体素子として活用するのは困難だった。

バンドギャップは半導体物質固有の物理量で0に近ければ電流が流れやすく導体になりその値が大きければ絶縁体になる。フォスフォレンはバンドギャップが存在し、電流の流れの制御は比較的容易だが、電荷がディラック粒子と同じ性質をもっておらずグラフェンと同様の電荷移動度を期待しがたい。

研究チームは2015年にォスフォレンの表面にカリウムの原子を吸着させてバンドギャップを制御する技術を開発したのに続き、今回はバンドギャップ制御技術をさらに高度化させてフォスフォレンにディラック粒子を人工的に発生させることに成功した。

ディラック粒子はグラフェンの核心的な特性で独特な物性の根源だが、天然の状態でディラック粒子をもたない物質に人工的にディラック粒子を作り出すのは不可能と思われてきた。今回の研究はフォスフォレンの物性の限界を克服してディラック粒子を人為的に誘導した最初の事例となる。

フォスフォレンのバンドギャップ制御範囲を拡張してバンドギャップの値が陰数に達し、この際にディラック粒子が形成された。こうして作られたフォスフォレンのディラック粒子はグラフェンとは違い特殊な結晶対称性で保護され安定した粒子となる。

研究に当ったキム・グンス教授は「より完璧な2次元半導体物質を探すのも重要だが、すでに知られている物質の限界を克服する物性制御技術も重要。半導体素子の作動原理である電荷量調節をバンドギャップ制御で代替する新たな概念の高性能半導体素子の開発に一歩近づいたといえよう」と話している。

研究成果は物理学分野の国際学術誌『Physical Review Letters』に11月29日付で掲載された。





[2017-12-07]

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