2018 Fiscal Year Research-status Report
空間反転対称性の破れた3ｄ遷移金属モノシリサイドの電子状態・スピン構造の解明
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18K03519
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| Research Institution | Hiroshima University |
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Principal Investigator |
有田 将司 広島大学, 技術センター, 技術専門職員 (20379910)
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2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 近藤半導体 / トポロジカル物質 / 角度分解光電子分光 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ディラック半金属やワイル半金属など、ある種の対称性を有する系やその対称性が破れた系で発現する特異な電子・スピン構造に注目が集まっている。3d遷移金属モノシリサイドMSi (M=Mn、Fe、Co)は、様々な物性を示すことでも知られており、長年、物性研究がなされている。本研究では、MSiの電子・スピン構造を位相や次元性、また対称性、表面といった新しい観点から詳細に調べ、これまでの物性研究の結果と比較することで、この物質系での新しい物理的知見を得ることを目的とし、研究実績のあるFeSiに注目して実験を始めている。破断面では清浄表面を得ることが難しいFeSiを機械研磨により表面を出し、角度分解光電子分光（ARPES）実験を行ったところ、明瞭なエネルギー分散スペクトルを得ることができた。破断面に対する測定との比較を行ったところ、同様なエネルギー分散構造が得られた。スペクトル線幅においては、より幅の狭い構造が得られたことから、研磨面のほうがより広いオーダーした清浄表面が得られていることが分かり、この物質系において研磨法による表面の清浄化の手法が確立できた。
FeSiは、低温でエネルギーギャップが開く近藤絶縁体である。FeSiの破断（111）面においてバルク敏感な励起光エネルギー8.4eVを用いてARPES測定を行ったところ、低温でフェルミ準位にギャップが開き、ギャップ端にピーク構造が成長する様子が観測された。研磨（111）面において、同様な測定を行ったところ、低温で明瞭な分散形状を得ることができ、価電子帯頂上に鋭いピーク構造を得ることができた。フェルミ準位上にはほとんどスペクトル強度がなく、バルクの電子構造は残留電子状態の無いことが分かった。さらに、ARPESスペクトルは円二色性も得られ、軌道角運動量に構造があることが分かり、スピン状態も運動量に対し何らかの構造を持つことが予測される。
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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
薄膜作成については、当初の予定通りに進んでいないが、同等な測定ができる手法としてバルクサンプルにおいて、機械研磨による試料準備を行なった。FeSiの（001）、（110）、（111）面について、1°以内で方位を合わせ、研磨紙によって機械研磨を行った。金属顕微鏡400倍の微分干渉像において視野内程度の範囲では、研磨傷等がない平坦な面が得られていることを確認できた。その後、超高真空中へ導入し、Arイオンスパッタとアニールによりオーダーした清浄表面を得ることを試み、温度や時間の最適化を行ったところ、それぞれ明瞭な１ｘ１のＬＥＥＤ像を得ることに成功した。また、角度分解光電子分光（ARPES）測定では、明瞭なエネルギー分散スペクトルも得ることができた。このことからこの物質系において、研磨法による表面の清浄化手法が確立できたといえる。
FeSiの研磨（111）面において、ARPES測定を行い、これまで破断面での研究結果を再現する結果を得られた。励起光エネルギー依存性測定を行いkz分散の測定を行ったが、15eV以上においてフェルミ準位上に強い金属的なスペクトル強度と複雑な強度の変調があらわれ、明瞭な分散構造は得ることができなかった。しかしながら、これらは残留する表面状態と考えられ、本質的に存在するものかなど、現在、解析やバンド計算などを進めている。明瞭な分散構造が観測されるエネルギーにおいて、円偏光依存性も測定し、ARPESスペクトルの円二色性を得ることができた。このことは、スピン構造の予測や今後スピン分解光電子分光を進める場合の指標とできる。(001)面に関しては、破断面と研磨面のARPES測定結果の比較を行ったところ、研磨面での測定が可能であり、現在測定を進めている。
薄膜の製作の為、Si基盤の(111)面の清浄化、蒸着源の整備を行っている。
これらから、上記のように判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
FeSiは、研磨（100）面のARPES測定を中心に行う。30年度の測定・研究より、FeSiのギャップ構造や表面状態については、フェルミ準位が価電子帯頂上に位置する為、明瞭に観測できなかった。また、研磨（111)面の温度変化測定結果とこれまでの破断面での測定では、ギャップの形状は異なる。このことから、微量のK蒸着により測定表面に電子ドープを行いエネルギーギャップの形状やギャップ内状態の観測を試みる。これにより、表面電子状態についての知見を得られると考えている。CoSiのARPESによる研究の報告が平成３０年にされているが、2回対称のフェルミ面が観測され、これをフェルミアークと帰属している。FeSiについてもバンドの対称性に注目して測定を行う。また、価電子帯全体で分散を測定し、自己エネルギー解析を行い、相関効果を調べる。
また、これまでのARPES測定より、強い円二色性スペクトルが観測されることからスピン成分も運動量に対して構造をもつことが期待される。また、スピン軌道相互作用を考慮したバンド計算からはスピン分裂すると予測される為、スピン分解ARPES測定も進める。CoSiで理論予測されたような特異なスピン構造をもつバンドが存在するかなど、同じ結晶構造を持つFeSiについて測定を行う。特に、ワイルフェルミオンの存在が予測されるＲ点近傍やカイラルフェルミオンの存在が予測されるΓ点近傍に注目する。
薄膜製作については、MnSi、CoSiについて製作を開始する。基盤Si (111)面と(001)面について準備を行った。CoとFe蒸着源、蒸着用の真空装置等の環境整備は完了している。評価については取り付けられているLEED、RHEED、AESで行う。これらについては、価電子帯全体のバンドをARPES測定し、バンド計算と比較し自己エネルギー解析を行い、強相関系であるFeSiとの比較を行う。
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[Journal Article] Enhanced surface state protection and band gap in the topological insulator PbBi4Te4S32018
Author(s)
K. Sumida, T. Natsumeda, K. Miyamoto, I. V. Silkin, K. Kuroda, K. Shirai, S. Zhu, K. Taguchi, M. Arita, J. Fujii, A. Varykhalov, O. Rader, V. A. Golyashov, K. A. Kokh, O. E. Tereshchenko, E. V. Chulkov, T. Okuda, and A. Kimura
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Journal Title
PHYSICAL REVIEW MATERIALS
Volume: 2
Pages: 104201-1,8
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Presentation] 角度分解光電子分光によるTaAsの電子構造2019
Author(s)
島岩泰暉, 密岡拓心, 村川寛, 駒田盛是, 横井滉平, 酒井英明, 花咲徳亮, 有田将司, E.F. Schwier, 島田賢也, 生天目博文, 溝川貴司
Organizer
日本物理学会 年次大会
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[Presentation] 角度分解光電子分光によるWTe2の軌道に依存したバンドの繰り込み2018
Author(s)
松本凌弥, 杉本拓也, 溝川貴司, Naurang Saini, 有田将司, 生天目博文, 谷口雅樹, Rajveer Jha, 東中隆二, 松田達磨, 青木勇二
Organizer
日本物理学会 秋季大会
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[Presentation] 角度分解光電子分光によるSn1-xNaxSeの電子状態の不均一性2018
Author(s)
赤羽祐香, 前田瑞綺, 山本健登, G. Tan, L.-D. Zhao, M.G. Kanatzidis, 有田将司, 生天目博文, 谷口雅樹, N.L. Saini, 溝川貴司
Organizer
日本物理学会 秋季大会
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[Presentation] 縮退半導体の異常なケミカルポテンシャルシフト：角度分解光電子分光によるSnSeとSn1-xNaxSeの電子状態2018
Author(s)
前田瑞綺, 赤羽祐香, 山本健登, G. Tan, L.-D. Zhao, M.G. Kanatzidis, 有田将司, 生天目博文, 谷口雅樹, N.L. Saini, 溝川貴司
Organizer
日本物理学会 秋季大会
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[Presentation] 光電子分光によるRuPの金属－非磁性絶縁体転移の観測2018
Author(s)
大槻太毅, 澤田慶, 柴田大輔, 川本雅人, 吉田鉄平, N. L. Saini, 溝川貴司, 後藤広樹, 小西健久, 太田幸則, 保井晃, 池永英司, 有田将司, 生天目博文, 谷口雅樹, 平井大悟郎, 高木英典
Organizer
日本物理学会 秋季大会
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[Presentation] 高分解能角度分解光電子分光を用いたBi2212の電子構造におけるCo置換効果の研究2018
Author(s)
宮下剛夫, Wumiti Mansuer, 田北仁志, 久保拓也, 石坂仁志, Eike F. Schwier, 岩澤英明, 島田賢也, 有田将司, 沼田純典, 宇都達郎, 松田梓, 井野明洋
Organizer
日本物理学会 秋季大会
