（レーザー関連）二次元材料 WS₂のホットな電子がクールになるまで

～次世代の光エレクトロニクス材料開発に向けて～

ポイント

• 二次元材料・二硫化タングステン(WS₂)に生じるホットエレクトロンの超高速緩和過程を解明。
• パルスレーザーの照射によって電子を捕捉する欠陥準位の生成が加速されることを初めて発見。
• 測定に用いた独自開発の新規光電子顕微鏡は、様々な二次元材料の計測への展開が期待。

概要
  北海道大学電子科学研究所の孫 泉特任准教授と三澤弘明特任教授は、中国北京大学物理学科、及び中国科学院との国際共同研究により、高性能な FET トランジスタ^※1、光検出器、そしてレーザーなどへの応用が期待される二次元材料・二硫化タングステン(WS₂)に光照射したときに生成するホットエレクトロン^※2の超高速な現象の計測に成功しました。
  今回の計測には、WS₂を光励起したときに生成するホットエレクトロンの高速な現象を追跡できる時間分解能 0.2 ピコ秒^※3以下、また空間分解能 10 nm（ナノメーター^※4）、エネルギー分解能 150 meV（ミリエレクトロンボルト）といった優れた性能を有する独自開発の光電子顕微鏡を用い、初めてホットエレクトロンの超高速緩和過程を解明しました。
  WS₂にそのバンドギャップ^※5 より大きな光エネルギーのポンプパルスレーザー(波長：410 nm)を照射すると、価電子帯の電子が励起され、伝導帯に過剰なエネルギーを持ったホットエレクトロンが生成します。次に、生成したホットエレクトロンにプローブパルスレーザー(波長：273 nm)を照射し、WS₂の外（真空中）にホットエレクトロンを放出させ、その運動エネルギーを計測しました。伝導帯に生成したホットエレクトロンは、熱を放出しながら極めて早い時間でエネルギー的に安定な伝導帯の底に緩和します。その緩和時間を計測するために、プローブパルスを照射するタイミングを少しずつ遅らせて計測するということを繰り返し行い、 0.3 ピコ秒という極めて早い時間でホットエレクトロンが緩和することを見出しました。また、熱的に緩和した伝導帯電子は、1 ピコ秒程度で消失することも見出しました。この消失は、主に伝導帯電子が欠陥準位に捕捉されるためであることを明らかにしました。さらに、伝導帯電子の消失速度はパルスレーザー照射を繰り返すことにより加速されることが示され、レーザー照射によって欠陥準位の形成が加速されることを解明しました。このような欠陥準位の生成は、光エレクトロニクス材料として WS₂を用いる際に性能劣化を誘起する大きな原因になると考えらます。今後、欠陥準位の生成を抑制する因子を探索するためにも本計測が重要な意義を持つと考えられます。
  なお、本研究成果は、米国東部時間 2020 年 4 月 3 日（金）公開の Nano Letters 誌の電子版に掲載されました。