二次元半導体

グラフェンは炭素原子の単層シートから構成され、高い電子移動度と高い熱伝導率を持つ。グラフェンに関する問題の一つはバンドギャップがないことであり、これは特にデジタルエレクトロニクスにおいて問題となる。なぜなら、グラフェンは電界効果トランジスタ（FET）をオフにすることができないからである。 ^{[ 3 ]}

単層六方晶窒化ホウ素（h-BN）は、高い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も機能します。h-BNは絶縁性のため、基板やバリアとしてよく使用されます。h-BNは熱伝導率も高いです。^{[ 6 ]}

ファンデルワールス力で結合された二次元材料の積層体は、ファンデルワールスヘテロ構造を形成することができ、各原子シートは同時にバルクと界面として機能します。層間電荷移動、近接結合、およびモアレ超格子再構成により、グラフェン/hBNにおける二次ディラック点や遷移金属ジカルコゲナイドに隣接するグラフェンにおける強化されたスピン軌道相互作用などの創発特性が生じます。^{[ 7 ]}

遷移金属ジカルコゲナイド単層（TMDまたはTMDC）は、化学式MX ₂で表される2次元材料の一種で、Mは第IV、V、VI族の遷移金属を表し、Xは硫黄、セレン、テルルなどのカルコゲンを表します。^{[ 8 ]} 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の平面の間に金属原子の平面がある層状構造を持っています。各層は平面内で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原子的に薄い層に容易に剥離できます。TMDCは、層に依存した光学的および電気的特性を示します。単層に剥離すると、いくつかのTMDCのバンドギャップは間接から直接に変化し、^{[ 9 ]ナノエレクトロニクス、 [ 3 ]}オプトエレクトロニクス、^{[ 10 ] [ 11 ]}および量子コンピューティング^{[ 12 ]}で幅広い応用につながります。剥離された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因性の欠陥によって制限されることが多く、^{[ 13 ]}これらの欠陥は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パッシベーション技術が開発され、^{[ 14 ]フォトルミネッセンスと電荷輸送特性が向上しています。さらに、相[ 15 ]}および歪みエンジニアリング^{[ 16 ]}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アプリケーションにより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。

Another class of 2D semiconductors are III–VI chalcogenides. These materials have the chemical formula MX, where M is a metal from group 13 (Ga, In) and X is a chalcogen atom (S, Se, Te). Typical members of this group are InSe and GaSe, both of which have shown high electronic mobilities and band gaps suitable for a wide range of electronic applications.^[17][18]

ヤング率がほぼ 1 TPa であるグラフェンは、炭素-炭素結合の強さにより驚異的な靭性を誇る。^{[ 31 ]}しかし、グラフェンの破壊靭性は約 4 MPa/m であり、脆く割れやすい。^{[ 32 ]}後に、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 倍の力分散能力を持つことが示された。^{[ 33 ]}

単層窒化ホウ素の破壊強度とヤング率はそれぞれ70.5 GPaと0.865 TPa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。^{[ 34 ]}

2D遷移金属ジカルコゲナイドは、フレキシブルエレクトロニクスや伸縮性エレクトロニクスなどの用途でよく使用され、デバイス性能のためには、その機械的特性と材料の機械的変化の動作上の影響を理解することが極めて重要です。歪み下では、TMDは直接ギャップ単層と間接ギャップ数層の両方の場合で電子バンドギャップ構造を変化させ、印加された歪みが調整可能なパラメータであることを示しています。^{[ 35 ]}単層MoS2_のヤング率は270 GPaで、降伏前の最大歪みは10%です。^{[ 36 ]}比較すると、二層MoS2のヤング率は200 GPaで、これは層間すべりに起因します。^{[ 36 ]}層数がさらに増加すると、層間すべりは曲げ剛性によって覆い隠され、ヤング率は330 GPaになります。^{[ 37 ]}

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の混成を電場によって制御できることが予測され、ZrSe ₂ /SnSe ₂ヘテロ二重層を例として量子ビットデバイスへの応用が提案されている。^{[ 12 ]}_{さらに実験的研究により、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ている。^{[ 40 ]}

2次元層状磁性材料は、ナノ電気機械システム（NEMS）の魅力的な構成要素です。他の2次元材料と同様に高い剛性と強度、そして低い質量を持ちながら、磁気的に活性です。新たに登場した多数の2次元層状磁性材料の中でも、特に注目されているのが数層のCrI3です。CrI3の磁気基底状態は、面外容易軸を持つ反強磁性的に結合した強磁性（FM）単層から構成されています。層間交換相互作用は比較的弱く、面外（𝒛）方向に0.5 T程度の磁場を印加することで、2層CrI3のスピン反転遷移を誘起できます。近年、層間磁気状態の検出と制御に基づく注目すべき現象やデバイスコンセプトが実証されており、スピンフィルタ巨大磁気抵抗、電場や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が挙げられます。原子的に薄い材料における磁気特性と機械的特性の結合、すなわち2次元磁気NEMSの基礎となる結合は、より厚い磁性材料で作られたNEMSや強磁性金属でコーティングされたNEMSが研究されてきたにもかかわらず、依然として解明されていない。