材料化学：二次元ハロゲン化物ペロブスカイトの横方向エピタキシャルヘテロ構造
Nature 580, 7805 doi: 10.1038/s41586-020-2219-7
酸化物ペロブスカイト、III–V族半導体、II–VI族半導体、遷移金属ジカルコゲニド半導体のエピタキシャルヘテロ構造は、現代のエレクトロニクスやオプトエレクトロニクスの基礎となっている。ハロゲン化物ペロブスカイトは、望ましい特性を持つ調整可能な新しい半導体群であり、溶液プロセス法による太陽電池や発光ダイオード、検出器、レーザーなどへの応用に魅力的である。ハロゲン化物ペロブスカイトの結晶格子は本質的に柔軟なため、格子不整合の許容度が高く、ヘテロ構造の形成や半導体の集積に有望である。性能の向上やデバイスの小型化には、原子レベルで急峻なエピタキシャル界面が必要である。しかし、ハロゲン化物ペロブスカイトは、固有のイオン移動度が高いために相互拡散や接合幅の広がりにつながり、化学的安定性が低いために先に作製した層が次の層の作製時に分解してしまうことから、原子レベルで急峻なヘテロ構造のエピタキシャル成長はまだ実現されていない。そのため、この不安定性の原因の解明と、イオン拡散を効果的に抑制する方法の特定が非常に重要である。今回我々は、剛直なπ共役有機配位子を組み込むことで、二次元ハロゲン化物ペロブスカイトにおける面内イオン拡散を大幅に抑制する効果的な手法を報告する。この手法によって、非常に安定かつ調整可能な、横方向にエピタキシャル成長したヘテロ構造、マルチヘテロ構造、超格子が実証された。低線量収差補正高分解能透過電子顕微鏡で観察したところ、ほぼ原子レベルで急峻な界面とエピタキシャル成長が実現されたことが明らかになった。また、分子動力学シミュレーションからは、共役配位子が存在する二次元ペロブスカイトにおける、ヘテロ構造の乱れの減少と空孔形成エネルギーの増大が確認された。今回の結果は、ハロゲン化物ペロブスカイト半導体の固定化と安定化に関する知見をもたらすとともに、分子レベルの薄さの複雑な超格子、デバイス、集積回路向けの材料プラットフォームを実証するものである。
