鎖が引力でつながった原子層薄膜の構造相変化を発見

―三次元、二次元材料を超える超微細高機能材料実現に道―

【産学連携対象全学共通分野 Discovery Saga】

数物系科学総合理工工学農学医歯薬学

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2025年3月27日 14:00 |プレスリリース・研究成果

研究者情報

〇大学院工学研究科知能デバイス材料学専攻
助教　双逸
マテリアル・開発系ウェブサイト

発表のポイント

一次元鎖が弱いファンデルワールス（van der Waals：vdW）力でつながった厚さ原子１個分の一次元ファンデルワールス（1D-vdW）材料^（^注1^）のテルル化ニオブ（NbTe₄）薄膜が、鎖間の間隔であるvdWギャップが変形するシャフリング変位^（^注2）を示し、相変化することを明らかにしました。

この相変化で絶縁体-金属転移^（^注3^）が生じて3桁もの電気抵抗変化を示し、情報メモリデバイスへ利用できる可能性を実証しました。

1D-vdW材料の相制御による次世代の超微細電子デバイスや量子デバイスの革新が期待できます。

発表概要

半導体の進化は、私たちの生活をますます発展させる可能性を大いに秘めています。情報の爆発的な増大に伴い、超微細な電子デバイスの実現が求められる中、次世代の材料として注目されているのが、一次元ファンデルワールス（1D-vdW）材料です。現在、次世代の微細半導体としてグラフェンに代表される二次元（2D）-vdW材料^（^注4^）に関する研究が盛んに行われていますが、1D-vdW材料によってさらなる高機能化が待ち望まれています。
東北大学大学院工学研究科の双逸助教（材料科学高等研究所：WPI-AIMRおよび高等研究機構新領域創成部兼務）と須藤祐司教授（WPI-AIMR兼務）らは、代表的な1D-vdW材料であるテルル化ニオブ（NbTe₄）薄膜が1D-vdW構造の変化（構造相変化）により3桁に及ぶ大きな電気抵抗変化を示すことを見出し、情報メモリデバイスに応用できる可能性を実証しました。1D-vdW構造制御による電気的特性に加え、光学的特性もコントロールできれば、次世代エレクトロニクスやオプト（光）エレクトロニクスデバイスへの1D-vdW材料の応用を加速させ、今後の半導体技術の進化に大きな影響を与えると期待されます。
本成果は、2025年3月20日付（ドイツ時間）に材料科学分野の専門誌 Advanced Functional Materials のオンライン版で公開されました。

図1. （左）熱処理によって生じる、1D-vdW構造を有するMonoclinic相からTetragonal相への構造相変化に伴うNbTe4薄膜の電気抵抗変化（挿入図は1D-vdW構造を構成する単一原子鎖の模式図）。加熱によって相変化が起こり冷却しても元の構造には戻らないことが、薄膜の電気抵抗を測定することでわかる。；（右）Monoclinic相とTetragonal相の原子像と結晶構造。高速電気パルスを加えることで、高速に可逆的に2つの相を行き来できることがわかった。

用語解説

注1. 一次元ファンデルワールス（1D-vdW）材料
原子鎖同士が微弱なファンデルワールス力（分子間力の一種）によって積層した半導体をファンデルワールス材料という。1D-vdWは、従来の二次元（2D）vdW材料（例：グラフェン）と異なり、一次元的な構造を持つ材料。原子が鎖状に配列し、鎖同士はvdW結合で弱く結びついている。
注2. シャフリング変位
ファンデルワールス結合によるギャップが変形（シャフリング）すること。1D-vdW材料では、原子鎖の間にあるvdWギャップがあり、構造変化（相変化）に伴い、このギャップの幅や位置が変わる。
注3. 絶縁体-金属転移
物質が「金属的状態（電気を流しやすい）」と「絶縁体状態（電気を流しにくい）」の間を行き来する現象。今回の研究では、NbTe₄薄膜が特定の相変化に伴って、絶縁体から金属に転移することを確認。
注4. 二次元（2D）-vdW材料
ファンデルワールス力によって、原子層が積層して結晶構造を構成している物質のことを指す。グラファイトは代表的な二次元層状物質である。

論文情報

タイトル：Phase Engineering of a 1D van der Waals Thin Film
著者：Yi Shuang*¹, Daisuke Ando and Yuji Sutou*²*責任著者：
*¹東北大学大学院工学研究科　助教　双逸
*²東北大学大学院工学研究科　教授　須藤祐司
掲載誌：Advanced Functional Materials
DOI：10.1002/adfm.202503094

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）
東北大学大学院工学研究科　助教　双　逸
TEL: 022-795-7339　Email: shuang.yi.e3*tohoku.ac.jp
（*を@に置き換えてください）
東北大学大学院工学研究科　教授　須藤祐司
TEL: 022-795-7338　Email: ysutou*material.tohoku.ac.jp
（*を@に置き換えてください）
（報道に関すること）
東北大学大学院工学研究科情報広報室　担当　沼澤みどり
TEL: 022-795-5898　Email: eng-pr*grp.tohoku.ac.jp
（*を@に置き換えてください）

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