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ナノスケール材料：ファンデルワールスヘテロ構造体の電気的インターカレーションにおけるヘテロ界面効果
Nature 558, 7710 doi: 10.1038/s41586-018-0205-0
材料中の電子電荷やイオン電荷の蓄積を分子スケールで操作することは、電気化学的エネルギー貯蔵技術の根幹である。層状のファンデルワールス（vdW）結晶は、そのホスト原子格子の層間に可動イオンを電気化学的にインターカレートできる多様な材料群である。そうした層状材料の構造はさまざまなので、エネルギー貯蔵デバイスや電子デバイス向けに、複合材料の界面特性を最適化してイオンのインターカレーションを改善できる。しかし、インターカレーション反応を変化させるヘテロ層の能力とその原子レベルの役割は、まだ解明されていない。今回我々は、異なるvdW層の個々の原子界面レベルで、リチウムの電気的インターカレーションを実証する。我々は、六方晶窒化ホウ素、グラフェン、モリブデンジカルコゲニド（MoX2; X = S, Se）層を積層したvdWヘテロ構造体に基づく電気化学デバイスを作製した。また、透過型電子顕微鏡法、in situ磁気抵抗法、光学的分光法、低温量子磁気振動測定、ab initio計算を用いて、ヘテロ界面におけるリチウムインターカレーションの中間段階を分析した。グラフェンとMoX2の間にvdWヘテロ界面を形成すると、MoX2/MoX2ホモ界面と比較してMoX2における電荷蓄積量が10倍以上になる一方で、バルクMoX2よりもインターカレーション電位が0.5 V以上マイナスになった。層系の電気化学的挙動を操作し評価するために用いた今回の実験方法と計算方法の組み合わせは、エネルギー貯蔵分野にとどまらず、二次元電子デバイスや二次元オプトエレクトロニクスデバイスの電荷密度制御への新しい道を開くものとなる。
