二次元半導体

2次元半導体（2D半導体とも呼ばれる）は、原子スケールの厚さを持つ天然半導体の一種です。2004年にGeimとNovoselovらが、 2Dハニカム格子に配置された炭素原子の平坦な単層である 新しい半導体材料グラフェンを報告し、この分野を切り開きました。^[1] 2D単層半導体は、従来のバルク形状よりも強い圧電結合を示すため重要です。この結合により、アプリケーションが可能になります。^{[2]研究の焦点の1つは、グラフェンを}電気導体、六方晶窒化ホウ素を電気絶縁体、遷移金属ジカルコゲニドを半導体として使用して、ナノ電子部品を設計することです。^{[3] [4]}

グラフェンは炭素原子の単一シートから構成され、高い電子移動度と高い熱伝導率を特徴としています。グラフェンに関する問題点の1つはバンドギャップが欠如していることで、特にデジタル電子機器では電界効果トランジスタ（FET）をオフにできないため問題となります。 ^[3]

単層六方晶窒化ホウ素（h-BN）は、高エネルギーギャップ（5.97 eV）を持つ絶縁体です。^[5]しかし、ジグザグの鋭いエッジと空孔により、導電性が向上した半導体として機能することもできます。h-BNは絶縁性があるため、基板やバリアとしてよく使用されます。h-BNは熱伝導率も大きいです。

_{遷移金属ジカルコゲニド単分子層（TMDまたはTMDC）は、化学式MX 2}を持つ2次元材料の一種で、MはIV、V、VI族の遷移金属、Xは硫黄、セレン、テルルなどのカルコゲンを表します。^[6] MoS ₂、MoSe ₂、MoTe ₂、WS ₂、WSe ₂はTMDCです。TMDCは、図1に示すように、2つのカルコゲン原子平面の間に金属原子平面がある層状構造になっています。各層は平面内では強く結合していますが、層間では弱く結合しています。そのため、TMDCはさまざまな方法で簡単に原子レベルの薄層に剥離できます。TMDCは、層に依存した光学的および電気的特性を示します。いくつかのTMDCは単層に剥離すると、バンドギャップが間接から直接に変化し、^{[7]ナノエレクトロニクス[3]}、オプトエレクトロニクス^{[8] [9]}、量子コンピューティング^[10]など幅広い用途につながります。剥離したTMDC単層は有望なオプトエレクトロニクス特性を示しますが、硫黄空孔や粒界などの固有および外在的欠陥^[11]によって制限されることが多く、性能に悪影響を与える可能性があります。 これらの問題に対処するために、超酸やチオール分子の使用を含むさまざまな化学的不動態化技術^[12]が開発され、フォトルミネッセンスおよび電荷輸送特性が向上しました。 さらに、相^[13]および歪みエンジニアリング^[14]は、TMDCの電子特性をさらに最適化し、ナノエレクトロニクスや量子コンピューティングの高度な用途に適したものにするための強力な戦略として登場しました。

2D半導体の別のクラスはIII-VIカルコゲニドです。これらの材料は化学式MXで表され、Mは13族の金属（Ga、In）、Xはカルコゲン原子（S、Se、Te）です。このグループの代表的なメンバーはInSeとGaSeで、どちらも幅広い電子アプリケーションに適した高い電子移動度とバンドギャップを示しています。^{[15] [16]}

2D半導体材料は、多くの場合、化学気相成長法（CVD）を使用して合成されます。CVDは、大面積で高品質で制御された2D半導体材料の層状成長を提供できるため、2次元ヘテロ接合の合成も可能になります。^[17]異なる2D材料を積み重ねてデバイスを構築する場合、機械的剥離とそれに続く転写がよく使用されます。^{[4] [6]}その他の可能な合成方法には、電気化学堆積、^{[18] [19]}化学的剥離、水熱合成、および熱分解が含まれます。2008年に、数原子層の厚さと最大数十ナノメートルの横方向のサイズを持つセレン化カドミウムCdSe準2Dプレートレットがコロイド法によって初めて合成されました。^[20]手順を変更することで、異なる組成（CdTe、^[21] HgSe、^[22] CdSe _x S _1−x合金、^[23]コア/シェル^[24]およびコア/クラウン^[25]ヘテロ構造）や形状（スクロール、^[26]ナノリボン、^[27]など）の他のナノ粒子を得ることができました。

2D半導体材料のユニークな結晶構造は、多くの場合、特に単層限界において、2D原子平面での高剛性と強度、しかし低い曲げ剛性など、ユニークな機械的特性をもたらします。^[28]これらの材料のテストは、原子間力顕微鏡（AFM）などの走査プローブ技術を使用する方法では、バルクの対応物よりも困難です。これらの実験方法は通常、基板の穴の上に吊り下げられた2D材料に対して実行されます。次に、AFMの先端を使用して薄片に押し込み、材料の応答を測定します。これにより、ヤング率、降伏ひずみ、曲げ強度などの機械的特性が得られます。

グラフェンのヤング率はほぼ1 TPaであり^[29] 、炭素-炭素結合の強さにより驚異的な靭性を誇ります。しかし、グラフェンの破壊靭性は約4 MPa/mであるため、脆く割れやすいです。^[30]その後、グラフェンの破壊靭性を発見した同じグループによって、グラフェンは鋼鉄の約10倍の驚異的な前方分散能力を持つことが示されました。^[31]

単層窒化ホウ素の破壊強度とヤング率はそれぞれ70.5GPaと0.865TPaである。窒化ホウ素は、厚さが増しても高いヤング率と破壊強度を維持する。^[32]

2D遷移金属ジカルコゲニドは、フレキシブルで伸縮性のある電子機器などの用途でよく使用されます。これらの用途では、デバイスの性能を左右する機械的特性と、材料に対する機械的変化が動作に与える影響を理解することが最も重要です。ひずみを受けると、TMDは直接ギャップ単層と間接ギャップ数層の両方の電子バンドギャップ構造を変化させ、適用されたひずみが調整可能なパラメータであることを示しています。^[33] 単層MoS ₂のヤング率は270 GPAで、降伏前の最大ひずみは10%です。^[34]これと比較して、二層MoS2のヤング率は200 GPaで、これは層間すべりによるものです。 ^[34]層数がさらに増えると、層間すべりは曲げ剛性によって影を潜め、ヤング率は330 GPaになります。^[35]

用途としては、電子デバイス^[37]、光子およびエネルギー収集デバイス、フレキシブルで透明な基板^{[3]などがある。その他の用途としては、量子コンピューティング量子ビットデバイス[10]} 、太陽電池^[38]、フレキシブルエレクトロニクス^[6]などがある。

理論的研究では、いくつかのファンデルワールスヘテロ構造におけるバンド端混成を電界を介して制御できることが予測されており、ZrSe ₂ /SnSe ₂ヘテロ二重層を例にとり、量子ビットデバイスでの使用が提案されている。^{[10]さらなる実験研究により、MoS} ₂ /WS ₂ヘテロ二重層の場合にこれらの予測が確認された。^[39]

2D 層状磁性材料は、ナノ電気機械システム (NEMS) の魅力的な構成要素です。他の 2D 材料と同様に、高剛性、高強度、低質量という特徴を持ちながら、磁気的に活性です。新たに出現した 2D 層状磁性材料の大きなグループの中で、特に興味深いのは数層の CrI3 です。その磁気基底状態は、面外容易軸を持つ反強磁性結合した強磁性 (FM) 単層で構成されます。層間交換相互作用は比較的弱く、面外 (𝒛) 方向の 0.5 T 程度の磁場により、2 層 CrI3 でスピンフリップ遷移を誘発できます。スピンフィルター巨大磁気抵抗、電場または静電ドーピングによる磁気スイッチング、スピントランジスタなど、層間の磁気状態の検出と制御に基づく注目すべき現象とデバイス概念が最近実証されています。しかし、2D 磁気 NEMS の基礎となる原子レベルの薄さの材料における磁気特性と機械特性の結合は、より厚い磁性材料で作られた NEMS や FM 金属でコーティングされた NEMS が研究されているにもかかわらず、依然として不明瞭なままです。