2023年 | プレスリリース・研究成果
"ヤヌス型"2次元物質の第2高調波増強を検証 ― ありふれた元素だけで短波長の高強度レーザー実現に道を拓く ―
【本学研究者情報】
〇学際科学フロンティア研究所
助教 Nguyen Tuan Hung
研究室ウェブサイト
【発表のポイント】
- 表面と裏面で異なる原子を持つヤヌス（注１）型2次元物質をヘテロ（注２）積層し、さらに歪ませることで、強力な光の第2高調波（SHG）（注３）が発生します。
- 第一原理計算で積層秩序と元素を最適化し、2次元材料の第2高調波発生強度を最適化し、その結果を実験で再現しました。
- 本成果により普遍的に存在する元素を用いた新規2次元材料を、半導体微細加工装置の紫外光光源として応用することが期待できます。
【概要】
今日の半導体露光装置や蛍光物質を使わない医療技術において、100 nm〜300 nmの波長の短いレーザーが求められています。波長の短いレーザー光源を得る一つの手法として、第2高調波発生（SHG）の方法があります。
東北大学学際科学フロンティア研究所のグエン タン フン（Nguyen Tuan Hung）助教と大学院理学研究科の齋藤理一郎名誉教授は、米国ライス大学とマサチューセッツ工科大学と共同で、ヤヌス型遷移金属（注４）ダイカルコゲナイド（TMD）と呼ばれる表面と裏面で別の原子層を持つ2次元物質が、波長400nmのSHGを発生することを（注５）で検証しました。さらに、このヤヌス型TMDをヘテロ積層し、SHGを3倍に増強することにも示しました。得られた波長は長いですが、手法を他の物質に応用することが可能です。
また研究チームは可能な積層構造を検討し、どのヘテロ構造が最もSHG強度を強くすることができるかを第一原理計算によって示し、数値計算の結果の一部は実験結果を定量的に再現しました。これは計算結果の信頼性を示すものです。さらに面内方向に20%も歪ませることによりSHG強度を最大にすることも示しました。今後、歪ヤヌス型TMDのSHGの実験的検証が期待されます。
本研究の成果は、2次元物質の自由な合成手法によってSHGを発生・増強する新たな物質群を創生する意義があります。
本研究成果は、米国化学会ACS Nano誌に 2023年8月29日付で掲載され、発表号の表紙に採用されました。
図1. （左）ヘテロ積層の方法を変える（AB→AA積層）だけで、（中）第2高調波（SHG）の強度（非線形感受率χ(2)）が3倍大きくなります。（右）この結果を受けて、三角形の試料のSHG強度を観測し、計算の予想を再現しました。
【用語解説】
注1 ヤヌス：
ローマ神話の神様の名前で表と裏の顔をもつことで知られています。物質の表面と裏面で異なる元素を用いて2層の2次元物質が最近合成され、ヤヌス型2次元物質と呼ばれるようになりました。
注2 ヘテロ積層：
異なる2次元物質を重ねることをヘテロ積層と呼びます。ここでは、ヤヌス型TMDと非ヤヌス型TMDをAAとABの二種類の方法で積層しています。
注3 第2高調波（SHG）：
入射光の2倍の振動数として放出される光。物質の光応答の非線形性を用いて得ます。第2高調波の電磁場の電場の大きさは、入射電磁場の電場の2乗に比例します。その比例係数を非線形感受率χ(2)と呼びます。χ(2)が大きい物質が強いSHG強度を発生します。
注4 遷移金属：
原子の3d（4d）軌道に電子が不完全に占有した元素の総称名です。Mo, W, Fe, Co, Ni など多くの金属が遷移金属です。
注5 第一原理計算：
原子の種類と位置の情報を入れるだけで固体の電子状態を計算する計算手法。その手法はさまざまあり、第一原理計算を行うパッケージとしても製品版、フリー版など各種公開されています。
問い合わせ先
（研究に関すること）
東北大学学際科学フロンティア研究所
助教 Nguyen Tuan Hung
TEL: 022-795-5755
Email: nguyen.tuan.hung.e4*tohoku.ac.jp （*を@に置き換えてください）
（報道に関すること）
東北大学学際科学フロンティア研究所
企画部
特任准教授 藤原英明（ふじわら ひであき）
TEL: 022-795-5259
Email: hideaki*fris.tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）
