3A04
電圧の印加による二次元層状物質界面での光誘起電子移動の制御
1

分子科学研究所，2 筑波大学

○飯田 健二 1、野田 真史 2、信定 克幸 1

Control of Photoinduced Electron Transfer at the Interface between
Heterogeneous Two-Dimensional Layered Materials
by Applied Electrode Bias
○Kenji Iida1, Masashi Noda2, Katsuyuki Nobusada1
1Institute for molecular science, Japan,
2

University of Tsukuba, Japan【Abstract】
Hetero-interface systems consisting of two-dimensional (2D) layered materials have been
extensively investigated in relation to the development of optical and electronic devices. To
reveal their electronic functions, it is required to clarify the details of the electronic structure
under the applied bias and the photoinduced electronic interactions at the atomically-thininterfacial region. Our group has developed the first-principles computational program named
SALMON for electron dynamics of nanostructures. By using the program, we elucidate theoptical and electric properties of a MoS2-Graphene heterostructure. It is found that theelectron transfer from graphene to MoS2 is induced by the photoexcitation, and can be readily
controlled by an applied bias voltage. This electron transfer strongly depends on the details ofthe electronic structure in the interfacial region. It is revealed that the photoexcitation of thisheterostructure causes the electron dynamics inherent in atomically-thin interfacial regions.
【序】グラフェンや遷移金属ダイカルコゲナイド等の二次元層状物質を用いて、光と電圧の印加で機能の発現・制御を行うデバイスの開発が進められており[1]、原子レベルの詳細がその機能をしばしば決定づける事が明らかになってきている。例えば
MoS2–Graphene 界面では、MoS2 から Graphene への光誘起電子移動が電圧により制御されている一方で[2]、欠陥のない界面だと Graphene から MoS2 へと電子移動する事が報告されている[3]。しかし、応用工学的な研究の急速な発展に比して、ヘテロ界面系の光電子物性についての基礎的理解は進んでいない。光電子機能の設計およびその制御の為に、界面の役割についての原子・電子レベルの理解が強く求められている。
我々のグループはナノ構造体の光学応答や電圧印加による電子ダイナミクスを実時間・実空間で記述する第一原理計算プログラム SALMON の開発を進めてきた[4]。
そこで本研究では SALMON を用いて、MoS2-Graphene ヘテロ構造の電圧印加による光物性変化について機構を解明した。

【方法】対象とする系を図1に示す。電極及びシリカは古典的なマクロモデルと近似し、印加電圧下でのMoS2-Grapheneヘテロ構造の電子状態を開放系に対する量子力学に立脚した方程式である有限温度密度汎関数理論で記述する。これにより、光と電圧の印加を露わに考慮したTD-DFT方程式が以下の様に与えられる。
∂1
ψ𝑗,𝑘 (𝐫, 𝑡) = [ (−𝑖𝛁 + 𝐀(t))2 + 𝑣nuc (𝐫, 𝑡) + 𝑣h (𝐫, 𝑡) + 𝑣XC (𝐫, 𝑡) + 𝑣ele (𝐫, 𝑡) ] ψ𝑗,𝑘 (𝐫, 𝑡)∂t2
ここでveleが電極電圧による外場である。各状態(j, k)の占有数nj,kはフェルミ-ディラック分布で与えられる。
𝑖ε−𝜇−1Graphene𝑛𝑗,𝑘 = {1 + exp ( 𝑗,𝑘)}𝑘 𝑇z𝐵

ここで kB はボルツマン定数、T は温度、j,k は各状態の固有エネルギー、は化学ポテンシャルであり、が電位に対応する。本研究では、MoS2-Graphene 領域が電気的中性となる状態を電位の基準としている。
電極電圧による外場veleは我々が開発した手法[5]を用いて計算した。この手法では、電極を完全導体と仮定することで、ある電圧における電極電場並びに電圧の印加による帯電の両者を実験条件に即して取り込む事が出来る。

MoS2VG

Silica300 nmElectrode

図 1. MoS2-Graphene ヘテロ構造【結果】図 2 に示したのは、界面に水平な x 軸方向に偏光した 2 eV のレーザー光を照射した時に、MoS2-Graphene 界面に垂直な z 軸方向に誘起される電子分極である。

Electronic polarization (a.u.)

MoS2 や Graphene のみでは幾何的対称性から電子分極は生じていない。しかし、-6.E-6
MoS2-Graphene ヘテロ構造では光照射によってGraphene-5.E-6大きな電子分極が生じている。これは Graphene
MoS2-4.E-6から MoS2 への電子移動による物であり、この様
MoS2-Graphene-3.E-6な光誘起電子移動は近年実験からも報告されて0V-2.E-6
40 Vいる[3]。更に、40 V と−40V の電圧をかけると、-40 V-1.E-6電子分極の大きさがそれぞれで増加・減少して0.E+0いる。この電圧依存性は、電子移動度が界面電1.E-605101520子状態の原子レベルの詳細に依存する事に由来
Time t (fs)する。当日は、電圧の印加や欠陥に対する電子 図 2. 2 eV のレーザー光照射に移動度の依存性について詳細を説明する予定である。

よる MoS2–Graphene 界面垂直方向の電子分極【文献】 [1] F. H. L. Koppens, et al., Nature Nanotech. 9, 780 (2014). [2] W. Zhang, et al.,Sci. Rep., 4, 3826 (2014). [3] Q. Liu, et al., ACS Appl. Mater. Interfaces 9, 12728 (2017). [4]M. Noda, et al., J. Comput. Chem. 265, 145 (2014); http://salmon-tddft.jp/wiki/Main_Page.
[5] K. Iida, M. Noda and K. Nobusada, J. Chem. Phys., 146, 084706 (2017).