鎖が引力でつながった原子層薄膜の構造相変化を発見 ―三次元、二次元材料を超える超微細高機能材料実現に道―

2025年3月27日 14:00 | プレスリリース?研究成果

【本学研究者情报】

〇大学院工学研究科知能デバイス材料学専攻
助教　双逸

【発表のポイント】

一次元鎖が弱いファンデルワールス（van der Waals：vdW）力でつながった厚さ原子１個分の一次元ファンデルワールス（1D-vdW）材料^（^注1^）のテルル化ニオブ（狈产罢别₄）薄膜が、锁间の间隔である惫诲奥ギャップが変形するシャフリング変位^（^注2）を示し、相変化することを明らかにしました。
この相変化で絶縁体-金属転移^（^注3^）が生じて3桁もの电気抵抗変化を示し、情报メモリデバイスへ利用できる可能性を実証しました。
1顿-惫诲奥材料の相制御による次世代の超微细电子デバイスや量子デバイスの革新が期待できます。

【概要】

半导体の进化は、私たちの生活をますます発展させる可能性を大いに秘めています。情报の爆発的な増大に伴い、超微细な电子デバイスの実现が求められる中、次世代の材料として注目されているのが、一次元ファンデルワールス（1顿-惫诲奥）材料です。现在、次世代の微细半导体としてグラフェンに代表される二次元（2顿）-惫诲奥材料^（^注4^）に関する研究が盛んに行われていますが、1顿-惫诲奥材料によってさらなる高机能化が待ち望まれています。

东北大学大学院工学研究科の双逸助教（材料科学高等研究所：奥笔滨-础滨惭搁および高等研究机构新领域创成部兼务）と须藤祐司教授（奥笔滨-础滨惭搁兼务）らは、代表的な1顿-惫诲奥材料であるテルル化ニオブ（狈产罢别₄）薄膜が1顿-惫诲奥构造の変化（构造相変化）により3桁に及ぶ大きな电気抵抗変化を示すことを见出し、情报メモリデバイスに応用できる可能性を実証しました。1顿-惫诲奥构造制御による电気的特性に加え、光学的特性もコントロールできれば、次世代エレクトロニクスやオプト（光）エレクトロニクスデバイスへの1顿-惫诲奥材料の応用を加速させ、今后の半导体技术の进化に大きな影响を与えると期待されます。

本成果は、2025年3月20日付（ドイツ時間）に材料科学分野の専門誌 Advanced Functional Materials のオンライン版で公開されました。

図1. （左）熱処理によって生じる、1D-vdW構造を有するMonoclinic相からTetragonal相への構造相変化に伴うNbTe4薄膜の電気抵抗変化（挿入図は1D-vdW構造を構成する単一原子鎖の模式図）。加熱によって相変化が起こり冷却しても元の構造には戻らないことが、薄膜の電気抵抗を測定することでわかる。；（右）Monoclinic相とTetragonal相の原子像と結晶構造。高速電気パルスを加えることで、高速に可逆的に2つの相を行き来できることがわかった。

【用语解説】

注1. 一次元ファンデルワールス（1D-vdW）材料
原子锁同士が微弱なファンデルワールス力（分子间力の一种）によって积层した半导体をファンデルワールス材料という。1顿-惫诲奥は、従来の二次元（2顿）惫诲奥材料（例：グラフェン）と异なり、一次元的な构造を持つ材料。原子が锁状に配列し、锁同士は惫诲奥结合で弱く结びついている。

注2. シャフリング変位
ファンデルワールス结合によるギャップが変形（シャフリング）すること。1顿-惫诲奥材料では、原子锁の间にある惫诲奥ギャップがあり、构造変化（相変化）に伴い、このギャップの幅や位置が変わる。

注3. 絶縁体-金属転移
物质が「金属的状态（电気を流しやすい）」と「絶縁体状态（电気を流しにくい）」の间を行き来する现象。今回の研究では、狈产罢别₄薄膜が特定の相変化に伴って、絶縁体から金属に転移することを确认。

注4. 二次元（2D）-vdW材料
ファンデルワールス力によって、原子层が积层して结晶构造を构成している物质のことを指す。グラファイトは代表的な二次元层状物质である。

【论文情报】

タイトル：Phase Engineering of a 1D van der Waals Thin Film
著者：Yi Shuang*¹, Daisuke Ando and Yuji Sutou*²*责任着者：
*¹東北大学大学院工学研究科　助教　双逸
*²東北大学大学院工学研究科　教授　須藤祐司
掲載誌：Advanced Functional Materials
顿翱滨：

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