東北大学の清水亮太助教らによる研究グループは、グラフェンを二層重ねて間にカルシウム原子を挿入した二層グラフェン化合物の性質を改変することに成功した。

グラフェンは炭素原子が蜂の巣状のネットワークを組んで形成されたシート状の物質で、次世代エレクトロニクス素子を形成するための有望な新材料として期待されている。特に、グラフェンを重ね合わせた二層グラフェンの間にカルシウム原子を挿入することにより、どのように物性が変化するのかを解明することが重要な課題となっていた。

今回の研究では、二層グラフェンの層間にリチウム（Li）、カルシウム（Ca）をそれぞれ挿入した試料を作製し、走査型トンネル顕微鏡/分光法と光電子分光法を用いて原子の観察と電子状態の観測を行った。その結果、カルシウムを挟んだ二層グラフェンは、各カルシウム原子の並びに加えてその2.5倍の周期で電子密度の濃淡が現れることや、エネルギーギャップが形成されていることが分かった。この現象はリチウムを挟んだ二層グラフェンでは観察されないことから、挿入された金属原子が放出する電子の数も重要な役割を果たしていると考えられる。

今後は、グラフェン層間に放出される電子数の制御や、結晶周期性が異なる基板を使用することによって、伝導性の制御や超伝導などの多様な特性を付与・制御することができるようになると期待されている。

なお、この内容は「Physical Review Letters」オンライン版に掲載された。