利用報告書 / User's Reports | ARIM Japan公式ホームページ

【公開日：2025.04.17】【最終更新日：2025.04.17】

課題データ / Project Data

課題番号 / Project Issue Number

22JI0020

利用課題名 / Title

2.5次元物質の構造解析

利用した実施機関 / Support Institute

北陸先端科学技術大学院大学 / JAIST

機関外・機関内の利用 / External or Internal Use

外部利用/External Use

技術領域 / Technology Area

【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）計測・分析/Advanced Characterization（副 / Sub）-

【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）次世代ナノスケールマテリアル/Next-generation nanoscale materials（副 / Sub）量子・電子制御により革新的な機能を発現するマテリアル/Materials using quantum and electronic control to perform innovative functions

キーワード / Keywords

走査型透過電子顕微鏡,光学顕微鏡/Optical microscopy,原子層薄膜/ Atomic layer thin film,量子コンピューター/ Quantum computer

利用者と利用形態 / User and Support Type

利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)

松田一成

所属名 / Affiliation

国立大学法人京都大学エネルギー理工学研究所

共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes

吾郷浩樹,高村由起子,岡村勇輝

ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes

大島義文,麻生浩平

利用形態 / Support Type

（主 / Main）技術代行/Technology Substitution（副 / Sub）-

利用した主な設備 / Equipment Used in This Project

JI-008：原子分解能走査透過型電子顕微鏡

報告書データ / Report

概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)

近年、二次元物質を積層して形成された人工ヘテロ構造の研究が注目を集めている。特に、遷移金属ダイカルコゲナイド（MX₂:M=Mo,W, X=S,Se）からなる二層人工ヘテロ構造において、角度をつけて積層することでモアレ干渉縞と呼ばれる新たな超格子構造が形成され、新たな結晶格子のように扱うことが可能であることから、モアレ超格子構造と呼ばれている。このモアレ超格子に関する研究は、二層のグラフェンが魔法角と言われる積層相対角度~1.1°において、超伝導が観測された事が契機となっている。それ以降、積層角度に依存した特異な電子・光物性の発現やその応用として、「ツイストロニクス」と呼ばれる新たな研究分野の発展に繋がっている。我々は、遷移金属ダイカルコゲナイドからなる人工ヘテロ構造MoSe₂/WSe₂において発現する、モアレ超格子構造に起因した新たな光物性の発現に関する研究を進めている。本プログラムでは、収差補正電子顕微鏡を用いてMoSe₂/WSe₂のモアレ超格子構造を直接観測することを目的とした。

実験 / Experimental

測定に用いたMoSe₂/WSe₂人工ヘテロ構造試料は、機械剥離法によって作製した単層MoSe₂とWSe₂をドライトランスファー法によって積層し、さらにh-BNによってカバーすることで作製した。さらに作製したヘテロ構造について、透過電子顕微鏡測定のためにSi/SiNメンブレン構造基板に転写し準備した。それを、収差補正電子顕微鏡（JEM-ARM200F）を用いて透過像(TEM)、走査透過電子顕微鏡像（STEM）、元素マッピング像を撮影した。

結果と考察 / Results and Discussion

実際に、人工ヘテロ構造MoSe₂/WSe₂の光学顕微鏡像とSTEM像を測定した。光学顕微鏡像において、単層WSe₂および単層MoSe₂、さらにそれらが重なったMoSe₂/WSe₂ヘテロ構造領域を確認し、電子線透過用の一辺30 µm四方の穴に架橋していることを確認した。そのヘテロ構造のいくつかの領域において、焦点位置を変えながらTEM像ならびにSTEM像を測定した。それらにおいて、結晶中の原子に対応する明るい輝点からなる、蜂の巣格子状の暗視野像が確認され、その原子間距離がおよそ0.33 nmであると見積もることができた。これは、単層MoSe₂（WSe₂）の結晶格子間隔に近いことから、単層二次元半導体に起因するものである。その一方で、ヘテロ構造の領域では、0.33 nmの格子像によりも長い周期を有する超格子構造が観測され、モアレ超格子に起因するものであると考えられる。実際に、そのモアレ超格子構造の周期を画像解析から見積もったところ、0.95 nmであることがわかった。このため、この結果から当初の目的である、収差補正透過電子顕微鏡によって、MoSe₂/WSe₂のモアレ超格子構造を観測することに成功した。

図・表・数式 / Figures, Tables and Equations

その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)

成果発表・成果利用 / Publication and Patents

論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)

Haonan Wang, Quantum coherence and interference of a single moiré exciton in nano-fabricated twisted monolayer semiconductor heterobilayers, Nature Communications, 15, (2024).
DOI: doi.org/10.1038/s41467-024-48623-4

口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.

Kazunari Matsuda, “Optical science and application of moiré excitonic systems in two-dimensional hetero-structures”, The 13th Recent Progress in Graphene and Two-dimensional Materials Research Conference, November 14-17, 2022, Taiwan (Hybrid).
松田一成, “２.５次元物質における光科学と物性開拓” 第16回物性科学領域横断研究会, 令和4年11月26日．

特許 / Patents

特許出願件数 / Number of Patent Applications：0件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件