国立大学法人東海国立大学機構 名古屋大学（総長：杉山直、以下「名古屋大学」という。）シンクロトロン光研究センターの伊藤孝寛准教授は、国立研究開発法人日本原子力研究開発機構（理事長：小口正範、以下「原子力機構」という。）先端基礎研究センター表面界面科学研究グループの寺澤知潮研究員、国立大学法人大阪大学（総長：西尾章治郎、以下「大阪大学」という。）産業科学研究所の田中慎一郎准教授らと共に、次世代材料グラフェン^*1と金の化学結合^*2が形成する機構を明らかにしました。

グラフェンは情報の伝達に電子の電荷ではなくスピン^*3を用いるスピントロニクス素子などへの応用が期待される材料です。炭素原子が六角形に並んだ構造を持つグラフェンは炭素原子同士の間に強固な化学結合を持ち、化学的に安定です。身近な貴金属である金も化学結合を作りにくいため金属光沢を失わず、その美しさから古代から貨幣や装飾品として用いられてきました。この2つの化学的に安定な物質が接触するとき、限られた条件において化学結合を作ることが報告されてきました。グラフェンと金の化学結合を持った境目はスピントロニクス素子の分野での応用が期待されます。しかし、グラフェンと金の境目での金原子の配置が分かっていないため、どのようなときにどのような化学結合が生じるかというメカニズムは明らかにされていませんでした。

そこで、本研究では原子の配置が明らかにされている凹凸構造を持つ金の表面^*4にグラフェンを成長させ、金とグラフェンの化学結合の詳細の解明を試みました。角度分解光電子分光(ARPES)法^*5を用いてグラフェンと金の境目にある「電子の手」である電子軌道^*6を観察したところ、凹凸構造の金の6sと呼ばれる電子軌道とグラフェンの電子軌道が繋がり化学結合を作った様子を世界で初めて観測しました。さらに、凹凸構造の周期によって化学結合の位置を変えられることがわかりました。文献との比較から、グラフェンと金の原子の並び方が垂直か平行かによって化学結合を作る電子軌道を選べることを見出しました。

これまでは金表面の凹凸構造は化学結合を介さずにグラフェンの電子軌道に影響を与えると推測されていました。本研究による金とグラフェンの化学結合のメカニズムの解明は、化学結合を通じて金の自発的なスピンの偏りをグラフェンに受け渡す手法の制御に繋がります。この現象はスピンを利用した次世代省エネルギー集積回路などの研究分野であるスピントロニクス素子への活用が見込まれます。

本研究成果は、1月12日付（日本時間）の「Physical Review Materials誌」に掲載されました。

【ポイント】

●　本来は化学結合しにくい炭素膜グラフェンと金を接触させたとき、限られた条件で化学結合を作ることが知られていますが、そのメカニズムは分かっていませんでした。
●　表面に凹凸構造を持つ金とグラフェンの境目に紫外線を当てて「電子の手」すなわち電子軌道を調べることで、グラフェンと金の間の化学結合には金の凹凸構造の周期の長さおよび金とグラフェンの原子が並ぶ向きが重要であることを明らかにしました。
●　化学結合は金からグラフェンに磁気の源であるスピンの偏りを移すため、本研究の成果はグラフェン中のスピンの偏りを用いた次世代省エネルギー集積回路などへの応用展開において重要な知見になります。

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【用語説明】

*1 グラフェン　炭素原子が六角形に並んだ構造の原子一つ分の厚さの膜。グラフェンの中では電子の動きが妨げられにくいため、電子素子やスピン素子への応用が期待されている。

*2 化学結合　原子同士の間で電子を介して原子と原子が繋がること。

*3 スピン　電子の中に存在する磁気の源。通常の物質中ではアップとダウンのスピンの向きの数は釣り合っているが、スピントロニクス素子においてはスピンの向きの数を偏らせることが必要になる。

*4 Hex-Au(001)　金の結晶の表面のうち、(001)面という金の原子が四角形に並んだ面がある。その最表面の原子が六角形に並び直した構造をHex-Au(001)再構成構造と呼ぶ。

*5 角度分解光電子分光法(ARPES)　物質に光を当てた時に光電効果で飛び出してくる電子のエネルギーと角度を測定することで、物質内の電子のエネルギーと運動量を評価する手法。

*6 電子軌道　電子が原子核の周りで取りうる位置やエネルギーの範囲。複数の電子軌道が重なると互いに混ざり合って原子と原子を繋ぎ化学結合を作る。

【論文情報】

雑誌名：Physical Review Materials (2023)
タイトル：”Bandgap opening in graphene by hybridization with Au (001) reconstructed surfaces”　(金(001)再構成表面との軌道混成によるグラフェンの禁制帯の形成)
著者名：Tomo-o Terasawa, Kazuya Matsunaga, Naoki Hayashi, Takahiro Ito, Shin-ichiro Tanaka, Satoshi Yasuda, and Hidehito Asaoka
DOI: 10.1103/PhysRevMaterials.7.014002
URL: https://journals.aps.org/prmaterials/abstract/10.1103/PhysRevMaterials.7.014002

【研究代表者】

シンクロトロン光研究センター　伊藤 孝寛　准教授