2D材料とは？
2D材料とは、原子1個分または数個分の厚さしかない結晶です。2004年に単離されたグラフェン（2010年ノーベル賞受賞）が最初でした。現在では数百種が存在します：トランジスタ用の半導体MoS₂、完璧な基板としての絶縁体hBN、チューナブルなバンドギャップを持つ黒リンなど、バルク形態では不可能な特性を持つ材料が多数あります。
なぜ積層するのか？異なる2D材料を原子レベルのLEGOブロックのように積み重ねることで、設計された特性を持つファンデルワールスヘテロ構造を作り出せます。2枚のグラフェン層を「マジックアングル」（1.1°）にツイストすると超伝導体になります。可能性は無限大です。
📖 詳細分析
例え 1
各 2D マテリアルを 1 つのレゴ ブロックとして想像してください。グラフェンは強力なベース プレート、MoS₂ は電子部品、hBN は滑らかな絶縁スペーサーです。それらを任意の順序で積み重ねて、レゴのピースを組み合わせて想像したあらゆるものを構築するのと同じように、カスタム プロパティを備えたデバイスを構築します。
例え 2
バルククリスタルは、弱い力によって束ねられた分厚いトランプのようなものです。グラフェンの分離は、1 枚のカードを注意深く剥がすようなものでした。その 1 枚のカード (原子ほどの厚さのシート) には、デッキ全体では決して示されなかった特性があります。各カード層はシャッフルしたり、ツイストしたり、異なるデッキのカードと組み合わせたりすることができます。
🎯 シミュレーターのヒント
初心者
グラフェンから始めて「開始」を押して電子の流れを確認します。 MoS₂ に切り替えて、半導体がどのように異なる動作をするかを確認してください。バンドギャップが現れることに注目してください。
中級者
n 型または p 型ドーピングを追加し、キャリアの挙動を観察します。二層グラフェンに電場を適用してバンドギャップを開きます。これは実際の研究における重要な技術です。
上級者
2 層のグラフェンでツイスト角を 1.1° に設定し、魔法の角度領域を発見します。フラット バンドが形成されるにつれてバンド ギャップが崩壊する様子を観察します。これが、ねじれた二層グラフェンに超伝導性が現れる方法です。
📚 用語集
🏆 主要人物
Andre Geim & Konstantin Novoselov (2004)
マンチェスターでセロテープ法を使用してグラフェンを分離、2010 年ノーベル物理学賞
Pablo Jarillo-Herrero (2018)
魔法の角度でねじれた二層グラフェン超伝導を発見したMITの物理学者
James Hone (2008)
コロンビアの研究者がグラフェンの固有強度を測定 - これまでにテストされた中で最も強い材料
Feng Wang (2014)
カリフォルニア大学バークレー校の物理学者、ファンデルワールスヘテロ構造の光学的および電子的性質を研究
Andrei Bernevig (2019)
ねじれた二層グラフェンのトポロジカル特性を予測したプリンストンの理論家
🎓 学習リソース
- Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films [paper]
ノーベル賞を受賞したグラフェン分離紙 (サイエンス、2004) - Unconventional superconductivity in magic-angle graphene [paper]
魔法の角度でねじれた二層グラフェンの超伝導性を発見 (Nature, 2018) - 2D Materials Database [article]
研究者向けの 2D 材料特性の計算データベース - Graphene Flagship [article]
2D 材料研究を研究室から市場まで前進させる 10 億ユーロの EU イニシアチブ