横方向力顕微鏡がMoS₂の表面下原子空孔を解明、長年の仮説を覆す
マリー著、1ban.news 科学ジャーナリスト
何十年もの間、横方向力顕微鏡（LFM）,,ナノスケールの摩擦力を測定する走査プローブ技術,,は、最上層の原子層にのみ敏感であると考えられていた。表面下の特徴は、表面を滑る探針には見えないと想定されていた。
マドリード自治大学のCristina Gómez-Navarro氏とマドリード材料科学研究所（ICMM-CSIC）のJ. G. Vilhena氏が率いるチームは、その仮定が誤りであることを証明した。7月9日にNature Communicationsに掲載された研究で、彼らはLFMが二硫化モリブデン（MoS₂）の表面下の原子空孔を検出できるだけでなく、特徴的な摩擦フィンガープリントに基づいて深さごとに分類できることを実証している。
二つのシグネチャ、二つの深さ
研究者らは、単層および数層のMoS₂,,電子特性と光学特性について広く研究されている遷移金属ダイカルコゲナイド,,に対して接触モードのLFMを使用した。鋭い探針が表面を走査すると、カンチレバーのねじれたわみが各点での横方向（摩擦）力を記録する。
探針が表面空孔,,最上層の硫黄原子の欠落,,に遭遇すると、摩擦信号はチームが「ドロップ・アンド・ライズ」と呼ぶ特徴的なパターンを示した：横方向力は探針が欠落原子サイトに落ち込むと急激に低下し、そこから這い出るときに急上昇する。
探針が表面下空孔,,表面の一層下の原子欠落,,の上を通過すると、シグネチャはまったく異なっていた。入口の低下はなく（表面層は無傷なので探針は穴に落ちない）、出口側に顕著な摩擦ピークが現れた。この出口障壁は、下の欠落原子が局所的な格子歪みを生み出し、探針が移動する際に非対称に「ピンチ」するために生じるとチームは説明している。
シミュレーションで検証
実験的観察は分子動力学シミュレーションによって確認され、Prandtl-Tomlinsonモデル,,ナノスケール摩擦の古典的枠組み,,によって定量的に捉えられた。シミュレーションは、このメカニズムが化学的ではなく幾何学的であることを明らかにした：欠落原子による格子の乱れは、特定の材料に関係なく探針の軌道に影響を与える。
これは、この技術が層状材料のファミリー全体,,グラフェン、六方晶窒化ホウ素、その他の遷移金属ダイカルコゲナイドなど,,に一般化されるべきことを意味している。
2D材料品質管理の実用的ツール
この発見は即座に実用的な意味を持つ。原子空孔は二次元材料において最も一般的な欠陥の一つであり、その存在,,そして深さ,,は電子特性、光学特性、機械特性に直接影響を与える。これまで、表面下空孔の特定には透過型電子顕微鏡（試料を損傷する可能性がある）または走査トンネル顕微鏡（真空と導電性試料が必要）が必要だった。LFMは、非破壊的で高解像度かつ比較的高スループットな代替手段を提供し、大気条件下で動作する。
チームは、化学気相成長法（CVD）で成長させたMoS₂と機械的剥離サンプルとの間の欠陥密度とタイプを比較することで、この方法の有用性を実証した。CVD成長膜は全体的な空孔密度が高いものの、表面対表面下の比率が異なっていた,,この情報は合成最適化にフィードバックできる。
より広い意味
この研究は、研究者が既存のLFMデータを解釈する方法も再形成する。表面下の特徴,,表面トポグラフィーだけでなく,,がMoS₂の摩擦に影響を与えるのであれば、ナノスケール摩擦が測定されてきた他の材料でも同じことが言えるかもしれない。これまで表面化学に起因していた摩擦信号の一部は、振り返ってみれば、隠れた表面下欠陥によって引き起こされていた可能性がある。
成長しつつある2D材料デバイスの分野において、表面下空孔を非破壊的に大規模にマッピングする能力は、標準的な計測ステップになる可能性がある,,ナノ科学研究室ですでに一般的な原子間力顕微鏡以外に特別な機器を必要としない。
この研究は、スペイン科学省、ERCスターティンググラントHeaT2Defects、マドリード自治州、ポーランド国立科学センターなどから支援を受けた。
出典：
1. Gutiérrez-Varela, O., Zambudio, A., Ares, P. et al. 「Unveiling surface and subsurface atomic vacancies in MoS₂ with lateral force microscopy」 Nature Communications (2026). DOI: 10.1038/s41467-026-75151-0
2. ICMM-CSIC / UAM / IFIMAC プレス資料、2026年7月
雅子 訳