High-magnitude, spatially and directionally programmable, and sustained strain engineering of 2D semiconductors

電子機器を動かす材料が、厚いシリコンの塊ではなく、原子一層分ほどの厚さしかない極薄のシートである世界を想像してみてください。これらの超薄型材料は「二次元半導体」として知られ、非常に強く柔軟で、壊れることなく引き伸ばすことができます。科学者たちは、このような材料を伸ばすと、電気の伝導性や光との相互作用が変化することを以前から知っていました。これはゴムバンドを伸ばすと形が変わるのと似ていますが、これらの原子シートにおいては、引き伸ばすことが実際に材料の内部エネルギーのルールを書き換えることになります。もしエンジニアがこの引き伸ばしを精密に制御できれば、より高速なコンピュータやより効率的な太陽電池を構築できる可能性があります。しかし、これまでは、これらの材料を引き伸ばすための手法は、扱いにくいものでした。わずかな量だけ伸ばすか、あるいは大きく伸ばせたとしても、元の形に戻ったり形を失ったりする数秒の間に、すぐに元に戻ってしまうかのどちらかでした。強い張力を保ったまま、どこをどの方向に伸ばすかを正確に決定する方法はありませんでした。

研究チームは、これらの原子シートを数ヶ月間も引き伸ばされた状態に保持し、かつその引き伸ばしを完全に制御できる新しい方法を開発することで、この問題を解決しました。彼らは、表面に微細な景観（ランドスケープ）を印刷し、その上に原子シートをマットレスの上に敷かれたシーツのように被せることで、これを実現しました。研究者たちは、精密な形状を持つ微小な三次元の谷を作ることができる特殊な印刷技術を用いました。彼らは、一般的な半導体である二硫化モリブデンと呼ばれる単層の材料を取り、それらの印刷された表面の上に慎重に転写しました。この材料は非常に薄く柔軟であるため、谷の輪郭に合わせて完璧に収まり、引き伸ばされました。谷の深さと幅を変えることで、チームは材料がどれだけ引き伸ばされるかを正確に制御できました。ある領域では、材料は約2.2パーセント引き伸ばされましたが、これはこの薄さの材料としてはかなりの量であり、この引き伸ばしは8ヶ月以上にわたって安定していました。

この手法の強みはその精密さにあります。研究者たちは単にシート全体を一様に伸ばしたのではなく、場所によって引き伸ばされる量が変化する景観を作り出しました。彼らはこれをマッピングし、材料の距離1マイクロメートルごとに引き伸ばしが約0.1パーセント変化することを発見しました。これは、同じ小さなシート内であっても、場所によって異なる挙動をさせることができる、滑らかな歪みの勾配（グラデーション）を作成できることを意味します。最も引き伸ばされた領域において、研究者たちは材料のエネルギーギャップ（電流が流れるために必要な閾値）の変化を測定しました。その結果、エネルギーギャップは約0.4電子ボルト、つまり材料の自然なエネルギー範囲の4分の1ほどシフトしていることが分かりました。これにより、下にある表面の形状を変えるだけで、局所的に材料の電子特性を調整できることが確認されました。

あらゆる方向に同時に引き伸ばすだけでなく、チームは一方向にのみ引き伸ばすこともできることを示しました。丸い谷の代わりに、細長い溝のような形状を印刷することで、溝の長手方向に沿って材料がより強く引き伸ばされるように強制しました。これは、一方向に引き伸ばすことが、全方向に引きなる場合とは異なる特性の変化をもたらすため、非常に重要です。彼らは、丸い谷と長い溝を同じ材料の上に並べて配置し、一つの材料の中に二つの異なる引き伸ばし環境を作り出すことができることを実証しました。丸い谷では、材料はあらゆる方向に均一に引き伸ばされ、溝では主に一方向へと引き伸ばされました。このように、単一のシート内で引き伸ばしの量と方向の両方をプログラムできる能力は、微小スケールでの複雑な電子回路設計に新たな可能性を開きます。

研究者たちはまた、二硫化モリブデンと二硫化タングステンの二種類の原子シートを重ねたスタックに対しても、この手法をテストしました。その結果、印刷された表面に直接接している下の層の方が、上の層よりも大きく引き伸ばされていることが分かりました。これは、二つの層が互いにわずかに滑る現象、すなわち「層間スリップ」が原因です。この観察結果は、この手法が高度なデバイスの構築によく用いられる複雑な積層構造においても機能することを示す重要なものです。チームは、いくつかの異なるツールを用いて結果を検証しました。原子の振動を測定して引き伸ばしを確認するためにレーザーを使用し、材料の導電性を測定するために微小な電気プローブを使用しました。また、コンピューター・シミュレーションを用いて材料の挙動を予測しましたが、実世界の測定結果はこれらの予測と密接に一致しました。

この研究の最も重要な側面の一つは、結果の安定性です。これらの材料を引き伸ばすための従来の試みの多くは、すぐに消えてしまう一時的な力に依存していました。本研究において、研究者たちはサンプルを4ヶ月後、そして8ヶ月後に再度チェックしました。引き伸ばしは全く変わっておらず、材料が緩んだり形を失ったりする兆候は見られませんでした。この長期的な安定性は、この手法が長期にわたって信頼性を持って機能する必要がある実際のデバイスの構築に使用できることを示唆しています。印刷に使用された材料は透明であったため、研究者たちは干渉を受けることなく原子シートを観察することができました。現在の印刷材料は一種のポリマーですが、研究者たちは、同様の手法がガラス状になる材料にも適用できる可能性があると述べており、これにより、将来の電子デバイスへのアプローチがさらに適したものになります。

この研究は、これらの材料の挙動を単に観察する段階から、その挙動を能動的に設計する段階への転換を意味しています。下にある表面をプログラム可能なツールとして扱うことで、研究者たちは高い精度でこれらのシートの電子的および光学的特性を設計する方法を作り出しました。彼らは、材料を均一に伸ばす、一方向に伸ばす、あるいは表面にわたって滑らかな歪みの勾配を作るなど、特定のニーズに合わせて強く持続的な引き伸ばしを作り出すことが可能であることを示しました。このレベルの制御は、現在、従来の材料では不可能なタスクを実行できる、より軽量で効率的な、新しいタイプのセンサー、太陽電池、コンピュータチップの開発につながる可能性があります。これらの材料を引き伸ばされた状態に数ヶ月間保持できる能力は、設計された特性が単なる一時的な実験ではなく、次世代のテクノロジーに組み込まれることができる耐久性のある特徴であることを意味しています。