具体的には、(i)成長を行う石英管内部での複数の原料を動かす簡便な機構の導入、(ii)蒸気圧が低く供給が難しい複数の遷移金属に対し、塩を添加することで融点を低下させ、かつ結晶成長に最適な温度で気化させる、などが挙げられるという。

結果として、モリブデン(Mo)、硫黄(S)、タングステン(W)、セレン(Se)の組み合わせからなる4種類の異なる組成のTMDC(MoS2、MoSe2、WS2、WSe2)を構成材料として、計6種類の異なる接合構造を発光実験のために十分なサイズと結晶性で作製できるようになったとする。

この試料に対し、電解質(イオンゲル)を用いて発光デバイス構造が作製され、TMDCに電流を流しながら発光の観測を実施したところ、6種類すべての接合構造で界面に沿った発光が観察され、さまざまなTMDCの組み合わせで発光デバイスが作製できることが実証されたという。

  • 異なるTMDCが接合した構造のモデル図

    (a)異なるTMDCが接合した構造のモデル図。青がSe、赤がS、黒がWの各原子に対応し、単層WS2/WSe2の接合構造に対応。(b)シリコン基板上に成長させた単層TMDC半導体ヘテロ構造の光学顕微鏡写真。三角形の青い結晶が単層TMDCの接合構造、異なる2種類のコントラストは、中心がWS2結晶、外側がWSe2結晶。(c)WS2とWSe2との接合部分の走査透過電子顕微鏡像。原子番号が大きいものほど明るく見える条件で像を取得しており、この像においては明るい点がWもしくはSe原子に対応 (出所:プレスリリースPDF)

さらに、特定の組成のTMDCの接合構造においては、界面での発光において右巻き円偏光と左巻き円偏光の生成量が室温で10％ほど異なることが見出されたとする。この円偏光の偏りは、接合によって生じた結晶内の歪みと電場印加により、TMDC内の特定のスピンを持つ電子が優先的に発光に寄与していると解釈できると研究チームでは説明している。

  • 電解質とTMDCから構成される発光デバイスのモデル図

    (a)電解質とTMDCから構成される発光デバイスのモデル図。左が電圧印加前、右が電圧印加後。TMDCにつけた電極の間に電圧を印加すると、電解質中の陽イオンと陰イオンがTMDC表面に配列し、結果としてTMDCの電気伝導性が向上。さらに、両側の電極から電子(e)もしくはホール(h)がTMDCに注入され、それらが再結合することで電気的なエネルギーが光に変換される。実際に作製した発光デバイスの(b)光学顕微鏡像および(c)発光像。発光像では、WS2とWSe2との接合部分に沿った発光が青色で表示されている。WS2は電子を流しやすく、またWSe2はホールを流しやすい性質を持つため、界面においてそれらが再結合する (出所:プレスリリースPDF)

なお、今回の研究で、4種類の異なるTMDCを組み合わせた計6種類の接合構造のすべてで電流を利用した発光デバイスを実現できた点は、この材料系のデバイス応用に向けた重要な指針になることが期待されるとしている。また、接合界面での歪み効果による室温での円偏光生成に関する基礎的な知見は、TMDCを利用した将来の光量子通信等の光源としての展開が期待できるとしている。