九州シンクロトロン光研究センター
県有ビームライン利用報告書
課 題 番 号 ： 1912131F

Ｂ Ｌ 番 号 ： BL10（様式第 5 号）

遷移金属ダイカルコゲナイドの原子膜のバンド構造と電子状態の測定
Measurements of band structure and electronic state of 2D atomic layers oftransition metal dichalcogenides
ヒ ュ ン グ ・ ジ ,1 吾 郷 浩 樹 1,2

Hyun Goo Ji, 1 Hiroki Ago 1,2
1

九州大学大学院総合理工学府, 2 九州大学グローバルイノベーションセンター

Kyushu University
※１
※２

※３
※４

先 端 創 生 利 用（ 長 期 タ イ プ ）課 題 は 、 実 施 課 題 名 の 末 尾 に 期 を 表 す（ Ⅰ ）、（ Ⅱ ）、（ Ⅲ ）を 追 記
してください。
利 用 情 報 の 公 開 が 必 要 な 課 題 は 、本 利 用 報 告 書 と は 別 に 利 用 年 度 終 了 後 2 年 以 内 に 研 究 成 果 公
開｛ 論 文（ 査 読 付 ）の 発 表 又 は 研 究 セ ン タ ー の 研 究 成 果 公 報 で 公 表 ｝が 必 要 で す (ト ラ イ ア ル
利 用 を 除 く )。
実験に参加された機関を全てご記載ください。
共 著 者 に は 実 験 参 加 者 を ご 記 載 く だ さ い （ 各 実 験 参 加 機 関 よ り 1 人 以 上 ）。

１．概要（注：結論を含めて下さい）
遷 移 金 属 ダ イ カ ル コ ゲ ナ イ ド（ TMDC）は 、原 子 厚 み の ユ ニ ー ク な 二 次 元 構 造 を 有 し 、可 視 光 に 相 当 す る バ ン ド ギ ャ ッ プ を も ち 、ま た 単 層 膜 で は 直 接 ギ ャ ッ プ に 由 来 す る 発 光を 示 し 、か つ 機 械 的 に 柔 軟 で あ る こ と か ら 、次 世 代 の 半 導 体 材 料 と し て 大 き な 注 目 を 集め て い る 。本 研 究 で は 、TMDC の 一 種 で あ る 二 セ レ ン 化 タ ン グ ス テ ン（ WSe 2 ）に つ い て 、CVD 法 で 合 成 し た 単 層 膜 を 用 い 、化 学 ド ー ピ ン グ に よ る バ ン ド 構 造 や 電 子 状 態 へ の 変 化
を 検 討 し た 。 BL10 で の 光 電 子 分 光 測 定 を 通 じ て 、 p 型 、 n 型 そ れ ぞ れ に 制 御 し て WSe 2がドーピングされていることを確認することできた。
Recently, TMDCs have attracted great interest , because they have atomically thin
two-dimensional structure, a band gap corresponding to visible light, direct band gap formonolayer film, and mechanical flexibility. In this work, we have studied effects of thechemical doping to CVD-grown WSe 2 monolayers on the electronic structure. From thephotoelectron spectroscopy measurement s, we succeeded in confirming the selective doping of
p- and n-type to WSe 2 .

２．背景と目的
グラフェンの研究を契機として、近年、原子レベルの厚みしかない二次元の層状物質が大きな注目を集めている。グラフェンはバンドギャップを持たないのに対して、遷移金属とカルコゲン原子から構成される遷移金属ダイカルコゲナイド（TMDC）と呼ばれる層状物質は、単層膜では 1.5‐2 eV 程度のバンドギャップを有した半導体であり、デバイス応用に非常に興味深い材料である[1]。また、
TMDC の多くはバルクでは間接バンドギャップだが、単層まで薄くすると直接バンドギャップに変化して、強い蛍光を示すことからオプトエレクトロニクス応用も期待されている。
しかしながら、MoS2 や WS2 などのほとんどの TMDC が n 型の特性を示すことから、応用で必要となる p 型‐n 型の両方の特性を一種の TMDC で得ることが非常に困難であった[2]。
これまで TMDC

表面への金属ナノ粒子の塗布や遷移金属を他の金属に置換するなどの方法が検討されてきた[3,4]。そのような中、最近、我々は化学ドーピング法によって、TMDC の一つである WSe2 を p 型、n 型に制御して転換する方法を見い出した。図１にその概要を示す。
そこで本測定では、ドーピングによってもたらされる WSe2 電子状態の変化を、光電子分光を用いて調べることを目的に研究を行った。
３．実験内容（試料、実験方法、解析方法

図1

単層 WSe2 のドーピング方法の説明）
化学蒸着法（CVD法）を用いて、基板上にWSe2の単層膜を合成した。導電性をもたせるため、このWSe2の単層膜を金属蒸着した基板に転写した。そして、図１に示すように、WSe2をp型、n型のドーパント分子それぞれと所定温度で所定の時間接触させた。その後、BL10のビームラインを用いて、10-8 Paの高真空で光電子分光測定を行った。
４．実験結果と考察
図 2 にドーピングする前、ならびに p 型、n 型ドーパントそれぞれと接触した後に測定した X 線光電子分光のスペクトルを示す。ドーピングによって、W と Se のピークが大きくシフトすることが明らかとなった。p 型ドーピングでは低結合エネルギー側に、n 型ドーピングでは高結合エネルギー側にピークがシフトしていた。これは各ドーパント分子によって、WSe2 にホール、もしくは電子が効果的に導入されたことを示していると考えられる。また、WSe2 のフェルミエネルギーの変化についても有用な情報を得ることができた。
本結果は、WSe2 を用いたトランジスタの測定を通じて行ったドーピングの挙動とよく一致するものであり、これまでのデバイスのデータを実験的にサポートする結果を得ることができた。

図2

単層 WSe2 のドーピングによる XPS の変化

５．今後の課題
今回のドーピング技術を利用して、既に p-n 接合や CMOS インバーターなどのデバイスを実現することができている。今後は、ドーピングメカニズムのより詳細な理解と、新たな応用への展開が期待される。

６．参考文献[1] Q. H. Wand et al., Nat. Nanotechnol., 7, 669 (2012).
[2] T. Nakanishi et al., cond-mat.mes-hall, arXiv:1809.00431.
[3] C. Chen et al., 2D Materials, 1, 034001 (2014).
[4] K. Zhang et al., Nano Lett., 15, 6586 (2015).
７．論文発表・特許（注：本課題に関連するこれまでの代表的な成果）
論文投稿準備中
８．キーワード（注：試料及び実験方法を特定する用語を２～３）• 二セレン化タングステン• 化学ドーピング• 電界効果トランジスタ
９．研究成果公開について（注：※２に記載した研究成果の公開について①と②のうち該当しない方を消してください。また、論文（査読付）発表と研究センターへの報告、または研究成果公報への原稿提出時期を記入してください（2018 年度実施課題は 2020 年度末が期限となります）。
長期タイプ課題は、ご利用の最終期の利用報告書にご記入ください。

①

論文（査読付）発表の報告（報告時期：2019 年 12 月頃の予定）