2次元材料を積み重ねた新技術と応用

・グラフェンのような材料の場合、1+1は2ではない。

・このような原子的に薄い材料を積み重ねるとその特性が大幅に変化する。

・これにより新しいハイブリッド特性を備えた新しい材料が得られる。

・この研究は極めて特異的な材料の特性を調査する機会を提供する。

ヘテロ構造を構築するための別個の材料の層を積み重ねるという概念は、電気エネルギーを光に変換するために現在広く使用される、レーザーダイオードを製造するためにガリウム砒素（直接遷移型半導体半導体）が研究された1962年に導入されました。

これらのタイプのヘテロ構造は、近年で一般的になっています。電子機器の光学特性を制御するために半導体産業で広く使用されています。

グラフェンのような原子的に薄い2次元材料の最近のいくつかの発見は、科学者たちに新しい種類のヘテロ構造をつくることを促しました。最近、シェフィールド大学の物理学者は2つの非常に薄いグラフェンのよう材料を積み重ねると、それらの特性が大幅に変化し、新しいハイブリッド特性を備えたまったく新しい材料を生み出すことを発見しました。

どのようにして起こるのか？

これらの2つの材料の薄い層は、互いの上に配置されると、ファンデルワールス力(0.5から1kcal/molの範囲の比較的弱い力)によって一緒に保持されます。これは、ヤモリが壁に沿って楽に歩く力と同じくらいの力です。

ファンデルワールスヘテロ構造という新しい構造は、TMD（遷移金属カルコゲナイドの略）でできています。それらは３D形式のグラファイトに非常によく似ています。グラフェンは、六角形の格子に配置された炭素原子の単層としてグラファイトから抽出されます。

研究者によると、2つの原子的に薄い材料が単一の構造に結合すると、それらは互いの特性に影響を与え、独自の特性を持つまったく新しいメタマテリアルを形成します。したがって、グラフェンの場合、1+1は2にはならないということが言えます。

混成の程度は各層のすべての単一原子格子間のねじれに依存します。層をねじることで、モアレ超格子として知られる包括的な周期性が構造に現れます。モアレ超格子は、2つの原子的に薄い材料の特性がどのように統合化するかを決定します。

同様の結果が以前の研究でも観察されており、特にグラフェンの場合は、無限に大きな多環芳香族炭化水素と考えられます。最新の研究では、TMDのような他の半導体は強力なハイブリッド軌道を示し、その特性はねじれ角によって操作できることを実証しています。

応用

調査結果によって科学者たちは、ねじれ構成可能な光学応答、電気伝導率、および磁性を含む、さまざまな材料の特性にアクセスすることができます。また、新しい材料とナノスケールな機器の設計への道を開くこともできます。

研究チームは、新しい方法の実際の可能性を理解するために、材料のより多くの組み合わせを調査することを計画しています。往来の3D材料でアクセスすることができない2D材料では、何百もの組み合わせが可能であり、特異的な光学電子デバイス機能を探求する機械が得られます。