原子層１層から数層の厚みしかない平面状（２次元）の物質や結晶を原子層物質と呼びます。その構造に由来する、従来の材料にない性質を示すことから大きな注目を集めています。炭素原子が六角形の格子状に連なったグラフェンの発見をきっかけに、この分野の研究が爆発的に進みました。その中でも現在、高い関心を集めているのが遷移金属ダイカルコゲナイドと呼ばれる原子層物質で、次世代の半導体材料として期待されています。更なる高性能化や応用には、電子が持つスピンという性質の状態を原子レベルのミクロな観点で知る必要がありますが、これまでは解明されていませんでした。
本研究では、電子スピン共鳴を活用し、従来の手法では困難だった遷移金属ダイカルコゲナイドの電子スピン状態を原子レベルで解明することに成功しました。独自に開発したトランジスタの構造を活用し、トランジスタ動作時に電子スピン共鳴を計測する、世界初開発の測定手法を用いた成果です。
具体的には、代表的な遷移金属ダイカルコゲナイドであるMoS2（二硫化モリブデン）を用いて作製した薄膜トランジスタが動作している状態で、３種類の電子スピン共鳴の信号を検出しました。信号の温度依存性などを調べ、理論計算も駆使して電子スピン状態を解析し、３種類の信号がそれぞれ、伝導電子、MoS2中のS原子空孔、MoS2中のMoS6原子空孔に由来することを明らかにしました。また、従来の典型的な原子層物質グラフェンとは異なるスピン散乱機構が生じていることも分かりました。
本研究チームが開発した手法を活用すれば、次世代半導体材料となることが期待される原子層物質の動作機構について、これまでにない原子レベルの情報を提供することが可能となります。
今後、本手法で得られた原子レベルの情報を基にすることで、更なる高性能トランジスタの開発や磁性を活用した新たな半導体開発などが進むと期待されます。