グラフェン層間に入り込むリチウムイオンの動きを電子顕微鏡で解明
研究成果 2023/07/25
東京大学大学院理学系研究科の遠藤由大大学院生（研究当時／現在：NTT物性科学基礎研究所研究員）、秋山了太助教、保原麗特任研究員、長谷川修司教授らの研究グループは、重慶大学、メルボルン大学、上海科技大学、シンガポール国立大学の研究グループと共同で、シリコンカーバイド(SiC)結晶基板上に作製した炭素原子層グラフェンの層間にリチウムイオンが入り込む様子を、低エネルギー電子顕微鏡（LEEM）によってナノスケールの高分解能で観察することに成功しました。
原子層材料へ分子や原子、イオンが入り込む「インターカレーション」という現象が、具体的にどのように進むのかはこれまで長い間謎でした。そこで、研究グループはLEEMを利用してSiC上に作製したグラフェンの層間にリチウムイオンがインターカレーションされる動きをナノスケールで観察しました。その結果、インターカレーションの進行度がグラフェンの重なり方（積層構造）の違いによって異なることを発見し、そのメカニズムが、二層のグラフェンの相対的な積層関係の創り出すトポロジー（幾何学的性質）の概念によって理解でき、リチウムイオンがインターカレーションされた領域間を隔てる不揮発な（消えることのない）壁「トポロジカルドメインウォール」が存在することを初めて見出しました。
インターカレーションは大面積で積層構造を変えることができ、さらに電気的な制御も可能なのでデバイス応用に適した技術です。本研究はそのメカニズムがより一般的なトポロジーの概念を用いて説明できることを示し、さらにトポロジカルドメインウォールの動きを自由度とした新奇なデバイスへの応用が期待されるなど、原子層材料研究に新たなアイデアをもたらす革新的成果と考えます。
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