京都大学、東京理科大学らの研究グループは、将来の光電子デバイス材料として期待される単層遷移金属ダイカルコゲナイドにおいて、「バレー」と呼ばれる電子の波の状態の情報が失われるメカニズムを明らかにした。

 単層遷移金属ダルコゲナイドに円偏光をあてると、右回りまたは左回りに回る2種類の励起子を生成することができる。この励起子のバレーと呼ばれるエネルギーの谷のような状態を、デジタル情報処理の0と1に対応させて利用する概念を「オプトバレートロニクス」といい、高速かつ省エネルギーな光電子デバイスを実現できるとして近年世界的に注目されている。

 オプトバレートロニクスを実現するには、バレーの状態を十分な時間保持できることが必要だが、実際には非常に短時間に失われてしまい、そのメカニズムも不明であることが、解決すべき大きな課題だった。

 本研究では、代表的な遷移金属ダイカルコゲナイドである二セレン化タングステンをモデルに、バレー状態の保持時間が低温条件では温度の上昇とともに短くなっていくこと、さらに、こうした性質が主として励起子の重心運動量とドープされた電子の密度に依存して決まるというメカニズムを突き止めた。そして、このメカニズムの理解に基づいて、バレー状態の保持時間を延ばす方向に励起子の運動量とドープされた電子の密度を制御した構造を作製したところ、予測した通りに増強することができたという。

 今回の成果は、一度作った励起子のバレー状態が失われてしまうメカニズムを明らかにした上、バレー状態をある程度制御する材料工学的な指針も与えるもので、将来の高速・省エネルギー光情報デバイスの実現に繋がると期待されている。

論文情報:【Nature Communications】Evidence for line width and carrier screening effects on excitonic valley relaxation in 2D semiconductors

京都大学

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