タリウム系トポロジカル絶縁体の薄膜化によるトポロジカル輸送現象の探究

• Project/Area Number: 21K03434
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 13020:Semiconductors, optical properties of condensed matter and atomic physics-related
• Research Institution: Kyoto Sangyo University
• Principal Investigator: 瀬川 耕司 京都産業大学, 理学部, 教授 (20371297)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000); Fiscal Year 2025: ¥390,000 (Direct Cost: ¥300,000、Indirect Cost: ¥90,000); Fiscal Year 2024: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000); Fiscal Year 2023: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000); Fiscal Year 2022: ¥390,000 (Direct Cost: ¥300,000、Indirect Cost: ¥90,000); Fiscal Year 2021: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
• Keywords: トポロジカル絶縁体 / スパッタリング法 / 薄膜 / 輸送特性

Outline of Research at the Start

トポロジカル絶縁体は、その表面に特殊な金属状態があらわれることが知られている。薄膜試料においてはその物性への表面の寄与が顕著になるため、表面状態の研究には薄膜試料の作製が重要である。トポロジカル物質の研究はここ数年でディラック半金属・ワイル半金属などに広がり、バンド構造に特徴をもつトポロジカル物質とまとめてとらえられているが、トポロジカル絶縁体そのものは物質系が非常に限られている。そこで本研究では、未だに薄膜化されていないタリウム系トポロジカル絶縁体を中心とするトポロジカル物質の薄膜化を行い、未知の物性の観測とその体系化を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、これまでに良質の薄膜作製が報告されていないタリウム系トポロジカル絶縁体について、純良薄膜の作製とその輸送特性の測定を目指している。TlBiSe2 において薄膜の輸送特性を測定すること、および同系について S で Se を置換した系において表面状態に由来のわからないエネルギーギャップが開いていることが観測されているため、その輸送特性を観測することが最終的な目標である。
タリウム系トポロジカル絶縁体 TlBiSe2 の薄膜用ターゲットを自作し、薄膜作製を引き続き行なった。あらかじめ Tl と Bi の比をずらして作製したターゲットにより、成膜時の基板温度を上げる方法で配向性の良い薄膜を得ることができた。しかし、成膜条件の最適化を試みると、同様の条件でもX線のピークが弱くなる傾向が見出された。組成の微調整をして再度、ターゲットを作製したところ、やはり初期の膜質が良く、次第に劣化していく振舞いが見られた。
ターゲット作製の際に Se を過剰にしていることから、焼結の際に Se 過剰の部分が相分離し、ターゲット内で組成が傾斜している可能性を現在のところ考えている。Se の供給を別のターゲットから行うため、Se のみのターゲット作製を試行したところ、これは成功したため、次の段階として Se を過剰にしない組成で可能な限り相分離を避けてターゲットを作製し、二元スパッタでの成膜を試みるところである。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

TlBiSe2 の薄膜そのものはおおむね作製可能であることははっきりさせることができた。条件の最適化にはもう少し時間が必要である。

Strategy for Future Research Activity

TlBiSe2 薄膜作製の条件最適化に見通しをつけてから輸送特性の測定を行い、次に S ドープにまで踏み込んで実験を行う。

Research Products

• [Journal Article] Visualizing crystal twin boundaries of bismuth by high-spatial-resolution ARPES (2023)
  • Author(s): Moriya Ayumi、Nakayama Kosuke、Kawakami Tappei、Maeda Kensaku、Tokuyama Atsuya、Souma Seigo、Chen Chaoyu、Avila Jose、Asensio Maria Carmen、Kitamura Miho、Horiba Koji、Kumigashira Hiroshi、Takahashi Takashi、Fujiwara Kozo、Segawa Kouji、Sato Takafumi
  • Journal Title: Physical Review Research Volume: 5 Issue: 2 Pages: 023152-023152
  • DOI: 10.1103/physrevresearch.5.023152
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Unveiling quasiparticle dynamics of topological insulators through Bayesian modelling (2021)
  • Author(s): Satoru Tokuda, Seigo Souma, Kouji Segawa, Takashi Takahashi, Yoichi Ando, Takeshi Nakanishi and Takafumi Sato
  • Journal Title: Communications Physics Volume: 4
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Teにおける一次元電子状態：マイクロARPES (2022)
  • Author(s): 中山耕輔, 徳山敦也, 守谷歩美, 山内邦彦, 本間飛鳥, 菅原克明, 相馬清吾, 北村未歩, 堀場弘司, 組頭広志, 高橋隆, 小口多美夫, 瀬川耕司, 佐藤宇史
  • Organizer: 日本物理学会第77回年次大会
• [Presentation] Biにおける双晶境界の観測：マイクロARPES (2022)
  • Author(s): 守谷歩美, 中山耕輔, 徳山敦也, 前田健作, 川上竜平, 相馬清吾, Chaoyu Chen, Jose Avila, 北村未歩, 堀場弘司, 組頭広志, 高橋隆, 藤原航三, 瀬川耕司, 佐藤宇史
  • Organizer: 日本物理学会第77回年次大会
• [Presentation] Te(0001)のマイクロARPES (2021)
  • Author(s): 徳山敦也, 中山耕輔, 守谷歩美, 山内邦彦, 菅原克明, 北村未歩, 堀場弘司, 組頭広志, 高橋隆, 小口多美夫, 瀬川耕司, 佐藤宇史
  • Organizer: 日本物理学会2021年秋季大会
• [Presentation] Bi(111)劈開表面のマイクロARPES (2021)
  • Author(s): 守谷歩美, 徳山敦也, 川上竜平, 中山耕輔, 相馬清吾, 北村未歩, 堀場弘司, 組頭広志, 高橋隆, 瀬川耕司, 佐藤宇史
  • Organizer: 日本物理学会2021年秋季大会