【本学研究者情報】

〇大学院理学研究科物理学専攻
特任研究員　高橋 まさえ
研究室ウェブサイト

【発表のポイント】

• 資源豊富なケイ素で平面構造のディラック物質^（注1）を理論設計しました。
• 凹凸構造のために大気中で酸化分解してしまう二次元ケイ素材料を、ベリリウム（Be）を結合させることで平面構造にし、大気中で取り扱える材料にしました。
• 異方性を持つ支持体無しで膜の形状を保つことができる自立型の単原子層ディラック物質で、単原子厚まで究極的に小型化した異方性超高速電子デバイスとしてスマホやパソコンなどの部品へ利用が期待されます。

【概要】

　グラフェン^（注2）に代表されるディラック物質は、その特異な電子構造から光速の数百分の一という高速で運動する質量のない（有効質量ゼロの）電子を持ち、光通信やワイヤレス通信のフロントエンド等で、集積回路の基板に実装する超高速電子デバイスなどの利用が期待されます。自立型単原子層二次元材料を用いることによって、バルク半導体では実現できない、特性を維持したままで究極的に小型の電子デバイスを実現できます。地殻中に酸素の次に豊富な資源であるケイ素で自立型単原子層ディラック物質ができれば、その利用価値は計り知れません。しかしグラフェンを構成する炭素をケイ素に置き換えた「シリセン」はグラフェンのような平面構造を持たず、しわしわの凹凸構造のために大気中で酸化分解し、実用化に適しません。大気中で酸化分解しない平面構造のケイ素系二次元シートの出現が切望されていました。

　東北大学大学院理学研究科物理学専攻の高橋まさえ特任研究員は、スーパーコンピュータを使った第一原理計算^（注3）により、シリセンにアルカリ土類金属のベリリウムを結合させることで平面化したケイ素系ディラック物質（BeSi₂）の設計に成功しました。多くの理論および実験科学者が平面構造のケイ素系ディラック物質の創製を試み、不可能と結論しつつあった中で、保護膜不要の自立型単原子層平面ケイ素系ディラック物質を実現する本研究は、ケイ素系ディラック物質の実用化に拍車をかけるものと期待されます。

　本研究の成果は、2023年8月14日にオンライン科学雑誌Scientific Reportsに掲載されました。

【用語解説】

注1　ディラック物質
物質が特別な結晶構造などを有する時、電子の見かけ上の質量（有効質量）がゼロの状態になる。この電子をディラック電子と呼び、ディラック電子が存在する物質をディラック物質と総称する。

注2　グラフェン
単原子厚の炭素原子からなるシート状物質で、蜂の巣のような六角形格子構造を持つ。

注3　第一原理計算
物質の電子状態を計算する方法。実験パラメータを使わない計算で、電子状態、最適化構造、物性などを、実験とは独立に予測できる。

詳細（プレスリリース本文）

問い合わせ先

（研究に関すること）
東北大学大学院理学研究科物理学専攻
特任研究員　高橋 まさえ（たかはし まさえ）
TEL:022-795-6786
Email: masae.takahashi.d1*tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）
　　　

（報道に関すること）
東北大学大学院理学研究科
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TEL: 022-795-6708
Email: sci-pr*mail.sci.tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）