2016 Fiscal Year Annual Research Report
トポロジカル絶縁体の超薄膜化による次元交差効果とスピン依存伝導
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16H03999
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
長田 俊人 東京大学, 物性研究所, 准教授 (00192526)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 物性実験 / 超薄膜 / トポロジー / 表面・界面物性 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、３次元の強いトポロジカル絶縁体であるBi2Se3の層状結晶を薄層化したときに、３次元から２次元へのトポロジカル相の次元交差がどのように起こるかを明らかにするものである。平成28年度はまず研究費を用いて、グローブボックス関連装置、電子線蒸着装置、計測時の端子自動切換用スイッチの導入を行った。高融点金属電極形成用の電子線蒸着装置は既存のスパッタリング装置のチャンバに電子銃を増設することにより構成した。トポロジカル絶縁体Bi2Se3の表面は空気中で劣化するため、試料のBi2Se3薄膜は表面にh-BN薄膜などを被せて保護する。そのために不活性ガス中で、粘着テープを用いた機械的劈開によりBi2Se3結晶を薄層化して半導体基板上へ固定し、同様にして透明なガラス基板に貼り付けたPDMSシート(Gel-Pack)上に固定したh-BN薄膜結晶片を、位置合わせして転写・積層することにより試料を作製する。この作業をグローブボックス内で試みたところ、手動操作によって行うことが困難であることが判明した。そこでグローブボックス内に遠隔操作のできる電動ステージを装備したデジタル顕微鏡を組み込んで、劈開した薄膜結晶を転写積層する装置を製作した。このために、研究に４ヶ月ほどの遅延が生じたので、一部の研究費(650千円)の繰越を行った。完成した装置により、Bi2Se3やh-BN等の原子層物質の積層構造（ファンデルワールスヘテロ構造）の不活性ガス中での作成が可能になった。実際にh-BNでキャップした最小膜厚13nm(13QL＝13原子層)までのBi2Se3超薄膜のFET素子を作製している。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
不活性ガスを満たしたグローブボックス内で原子層薄膜結晶を転写積層する作業が、手動では困難であることが判明したため、電動ステージやデジタル顕微鏡を組み込んで装置を一部遠隔操作化した。そのため試料作製環境の整備に遅れが生じ、研究費の繰越により対応した。その結果として、不活性ガス環境における原子層積層試料の作製は可能になったが、当初計画で平成28年度に予定していたBi2Se3結晶の薄層化に伴う伝導特性の変化に関する系統的実験は、次年度に持ち越された。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成28年からの開始を予定していた諸実験を実行する。まず試料の３次元トポロジカル絶縁体Bi2Se3が、Se欠損のためにn型に強くドープされる効果を打ち消し、Fermi準位をギャップ内に調節する必要がある。そのため素子表面に、イオン液体DEME-TFSIを滴下して電気２重層ゲートを形成するか、アクセプタ分子F4-TCNQのアセトニトリル溶液を塗布して正孔注入を試みる。次に作製した素子の伝導実験により薄膜化によるトポロジカル相の変化を調べる。Hallパー電極とCorbino電極での伝導特性の比較により、全表面の伝導と上下表面のみの伝導を検出してトポロジカル相の同定を行う。またスピンHall効果による非局所伝導の有無により、次元交差領域で現れるトポロジカル相の同定を行う。余裕があれば上下表面状態がトンネル結合した状態での、上下表面間の伝導に対する平行磁場効果により、スピン運動量ロッキングを実験的に確認する。
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