ファンデルワールス原子層集積系の電子構造解明と物性開拓

• Project/Area Number: 22H00107
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Medium-sized Section 13:Condensed matter physics and related fields
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 石坂 香子 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (20376651)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥43,940,000 (Direct Cost: ¥33,800,000、Indirect Cost: ¥10,140,000); Fiscal Year 2024: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000); Fiscal Year 2023: ¥7,410,000 (Direct Cost: ¥5,700,000、Indirect Cost: ¥1,710,000); Fiscal Year 2022: ¥30,030,000 (Direct Cost: ¥23,100,000、Indirect Cost: ¥6,930,000)
• Keywords: ２次元物質 / 光電子分光 / 2次元物質

Outline of Research at the Start

グラフェンの発見以降、２次元原子層物質の科学は急速に多様性を増しつつ発展している。様々な原子層を組み合わせ積層することにより得られる新物質は、通常の固体結晶では得られない新しい物性を創出する可能性を秘めている。本研究では、我々が高度な専門性を持つ先端電子計測手法である顕微角度分解光電子分光を用いることにより、これらの膨大な原子層物質群が持つ電子構造を徹底的に解明する。これにより、原子層固有の電子状態や積層した際の電子変調の様子を明らかにするとともに、電子物性の開拓と新しい機能創発の可能性を探求する。

Outline of Annual Research Achievements

結晶が原子レベルまで薄くなると、層の数（n）に応じた特異な現象が現れ始める。特に系の対称性や波動関数は積層や層数を強く反映し、バルクや単層では予想されない新しい物性が実現する。遷移金属ダイテルライドWTe2は単層では２次元トポロジカル絶縁体、バルクでは極性ワイル半金属として知られており、WTe2層が相互に逆位相で積層した結晶構造を持つ。この特殊な積層構造は層間方向の極性とも関連しており、独特の強誘電性（極性）やベリー曲率双極に関連した非線形輸送特性を示す物質である。本研究では、剥離法により得られたWTe2原子層試料を層数nで厳密に分類し、グラフェンでカプセルすることにより大気中を運搬し、レーザー高次高調波を用いた顕微角度分解光電子分光による電子構造の解明を行った。具体的には、２層～５層WTe2を対象とした顕微角度分解光電子分光により、2層と3層の間で起こる絶縁体-半金属転移、およびnが偶数の際に強い空間非対称性のために現れる30-70 meVのスピン分裂の存在を明らかにした[Phys. Rev. Research誌に掲載]。さらにこれらを複数の近似法に基づく第一原理計算と比較し、定量的に評価した。また、ツイスト角度を0度と180度で積層した２層WTe2において、上記のスピン分裂が70meVからゼロへと変化する様子を直接観測により明らかにした[Nano Lett.誌に掲載]。これらの結果は、有限のn層試料において、積層プロセスを通して大きなエネルギースケールのバンド構造およびスピン分裂の制御が可能であることを示している。

Current Status of Research Progress

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

Reason

これまでに、剥離法による原子層試料作製、層数ごとに分けた試料の探索と選択、光電子分光実験のための基板準備、h-BNやグラファイト薄片基板との積層構造作製、積層作製に用いるスタンプ材や雰囲気・温度など、多岐に渡る原子層試料作製の条件探索を行ってきた[Sci. Rep誌掲載]。これに基づき、WTe2については層数や積層を変えた系統的な光電子分光実験を遂行することができた。一方、類似物質のMoTe2については初手の原子層試料の作製に困難な箇所があり、次年度に計画を持ち越した。また、当初計画していなかった物質として、異なる結晶構造を持つReSe2について、新しく単層および２層（0度積層および180度積層）の原子層試料の作製に成功した。２層ReSe2では180度積層による空間判定対称性の破れが期待され、WTe2のカウンターパートともいえる物質である。現在、放射光施設（KEK-PF）における顕微角度分解光電子分光実験を進めている。

Strategy for Future Research Activity

上述のReSe2については単層および２層（0度積層および180度積層）の原子層試料を対象とし、顕微角度分解光電子分光による電子構造の解明および第二次高調波発生による空間非対称性の検出を行う。第一原理計算とも合わせて、原子層領域で形成される電子バンド構造に対する積層の役割について明らかにする。また、最近強誘電と共存する超伝導相が報告されている原子層MoTe2についても試料作製を推進し、顕微角度分解光電子分光によるフェルミ面やスピン分裂をはじめとする電子構造と積層の役割の解明を目指す。

Research Products

• [Journal Article] Odd-even Layer-number Effect of Valence-band Spin Splitting in WTe2 (2022)
  • Author(s): M. Sakano, Y. Tanaka, S. Masubuchi, S. Okazaki, T. Nomoto, A. Oshima, K. Watanabe, T. Taniguchi, R. Arita, T. Sasagawa, T. Machida, and K. Ishizaka
  • Journal Title: Phys. Rev. Research Volume: 4 Issue: 2 Pages: 023247-023247
  • DOI: 10.1103/physrevresearch.4.023247
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Dry Pick-and-flip Assembly of van der Waals Heterostructures for Microfocus Angle-resolved Photoemission Spectroscopy (2022)
  • Author(s): S. Masubuchi, M. Sakano, Y. Tanaka, Y. Wakafuji, T. Yamamoto, S. Okazaki, K. Watanabe, T. Taniguchi, J. Li, H. Ejima, T. Sasagawa, K. Ishizaka, and T. Machida
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 12 Issue: 1 Pages: 10936-10936
  • DOI: 10.1038/s41598-022-14845-z
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Signature of topological band crossing in ferromagnetic Cr1/3NbSe2 epitaxial thin film (2022)
  • Author(s): Saika Bruno Kenichi、Hamao Satoshi、Majima Yuki、Huang Xiang、Matsuoka Hideki、Yoshida Satoshi、Kitamura Miho、Sakano Masato、Hatanaka Tatsuto、Nomoto Takuya、Hirayama Motoaki、Horiba Koji、Kumigashira Hiroshi、Arita Ryotaro、Iwasa Yoshihiro、Nakano Masaki、Ishizaka Kyoko
  • Journal Title: Physical Review Research Volume: 4 Issue: 4 Pages: 1-7
  • DOI: 10.1103/physrevresearch.4.l042021
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] レーザー顕微ARPESによる原子層物質の物性探索 (2023)
  • Author(s): 石坂香子
  • Organizer: ナノテラスARPESシンポジウム ~ナノ集光で拓くサイエンスの新展開~
  • Invited
• [Presentation] Observation on the odd-even layer-number effect in WTe2 with laser-based micro-ARPES (2023)
  • Author(s): Masato Sakano,Satoru Masubuchi,Yuma Tanaka,Shota Okazaki,Takuya Nomoto,Atsushi Oshima,Kenji Watanabe,Takashi Taniguchi,Ryotaro Arita,Takao Sasagawa,Tomoki Machida,Kyoko Ishizaka
  • Organizer: APS March Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Laser mARPES study on 2D transition-metal telluride flakes (2022)
  • Author(s): Kyoko Ishizaka
  • Organizer: The 13th Recent Progress in Graphene and Two-dimensional Materials Research Conference (RPGR2022)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Laser micro-ARPES study on 2D transition-metal ditellurides (2022)
  • Author(s): Kyoko Ishizaka
  • Organizer: The 13th TOYOTA RIKEN International Workshop: Integrated Spectroscopy for Strong Electron Correlation -Theory, Computation and Experiment
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 180度ツイスト2層ReSe2における空間反転対称性の破れと電子状態 (2022)
  • Author(s): 赤塚俊輔, 坂野昌人, 山本崇人, 野本拓也, 有田亮太郎, 村田陵河, 笹川崇男, 渡邊賢司, 谷口尚, 北村未歩, 堀場弘司, 菅原克明, 相馬清吾, 佐藤宇史, 組頭広志, 篠北啓介, 松田一成, 増渕覚, 町田友樹, 石坂香子
  • Organizer: 日本物理学会秋季大会