2015 Fiscal Year Annual Research Report
半導体表面Rashba電子系の電子・スピン輸送物性
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15H03675
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
有賀 哲也 京都大学, 理学(系)研究科(研究院), 教授 (70184299)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
八田 振一郎 京都大学, 理学(系)研究科(研究院), 助教 (70420396)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 表面・界面物性 / ラシュバ効果 / トポロジカル絶縁体 / 単層物質 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
重元素カルコゲナイド系のトポロジカル絶縁体の典型物質であるBi2Te3について、精密な膜厚制御をすることにより、単層単位での製膜を実現し、その電子構造、電気伝導について研究した。主な成果は以下の通りである。
（１）Bi2Te3の新たな単層単位製膜手法の開発。従来、Bi2Te3等の金属カルコゲナイドの製膜においては、過剰のカルコゲン蒸気中で金属蒸着を行う方法が取られてきた。しかし、真空槽内がカルコゲンにより汚染される問題があった。特に、シンクロトロン放射光施設など共用施設での研究に大きな制約があった。本研究では、予め合成したBi2Te3を分解温度以下に加熱し、(Bi2Te3)x蒸気を発生させ、ビーム状に基板表面に照射することによりBi2Te3単層を得た。蒸着中の背圧は10の-8乗Pa程度であり、チェンバーの汚染はない。これによりBi2Te3が単層ごとに結晶成長することを確認した。この手法は他の金属カルコゲナイド等にも応用可能であり、この分野の今後の発展に寄与するものと考えている。
（２）Bi2Te3の単層成長に伴う電子状態発展。最初の単層において、Bi層に局在した半導体的バンドが生じること、第２層が成長すると、そのバンドギャップが縮小するとともに、隣接単層間のTe-Te界面に局在した伝導帯が形成されること、第３層形成により初めてトポロジカル絶縁体に転移することを明らかにした。
（３）単層～5層のBi2Te3の電気伝導度測定に初めて成功した。従来は10～20層以上の薄膜の測定しかなかった。Biに局在した電子状態の寄与と、Te-Te界面に局在した電子状態の寄与を確認した。また、電子フォノン結合定数を決定した。
（４）関連して、Si(111)上のInナノワイヤの電気伝導を測定し、一次相転移に伴うヒステリシスを観測した。また、相転移の高温側の「汚れた金属相」の電子輸送を明らかにした。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
トポロジカル絶縁体Bi2Te3を単層単位で精密に層成長させることに成功し、その電子状態と電気伝導の発展過程を詳細に解明することができた。特に、隣接するBi2Te3層間の相互作用について、Biに局在した電子状態、Teに局在した電子状態の各々について明らかにすることができたことは重要である。また、絶縁体を挟んだ2層構造について検討し、相対するトポロジカル金属層間の相互作用を生じさせるためには、絶縁体層の厚さをごく小さく（1原子層程度以下）する必要があることを明らかにした。
相転移を示す擬一次元In単層の電気伝導についても、一次転移に伴うヒステリシスの直接観測、汚れた金属相の電気伝導について明らかにすることができ、単層2次元金属系についての新しい知見を得ることができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
初年度に開発した単層成長技術を応用して、層間相互作用の制御の観点から研究を進める。Bi2Te3では、Teの原子サイズが大きいため、Bi相に局在した電子状態の層間相互作用がもともと比較的小さいことがわかった。このため、絶縁層を挟むと層間相互作用が当初の想定よりも小さくなりすぎる。そこで、鉄ハライドなど、Fe層間相互作用が比較的強いと考えられる層状物質について、単層成長による結晶成長を試み、これにより、興味ある物性発現の可能性を探るとともに、層間相互作用による物性制御を目指す。鉄を含む層状物質としては、FeSe、FeAsにおいて単層超伝導体が実現しているが、それらについても並行して研究を進め、それらと比較しつつ鉄ハライドの電気伝導物性を明らかにしたい。
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