2020 Fiscal Year Annual Research Report
Controlling the local electronic state by photo-induced doping; creation of topological pn junction
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19H02592
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
坂本 一之 大阪大学, 工学研究科, 教授 (70261542)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
内橋 隆 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点, グループリーダー (90354331)
黒田 健太 東京大学, 物性研究所, 助教 (00774001)
小田 竜樹 金沢大学, 数物科学系, 教授 (30272941)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | トポロジカル絶縁体 / 局所ドーピング / スピントロニクス / 光電子分光 / 走査トンネル顕微鏡 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
研究代表者がトポロジカル絶縁体Bi2Se3で見出したn型トポロジカル絶縁体への光誘起ドーピングは、光照射部にのみホールを注入してフェルミ準位シフトをナノメートルスケールの領域で自由に制御することができる新しいドーピング法である。この局所的なドーピング法により、フェルミ準位がディラック点よりも上にあるn型と、下にあるp型トポロジカル絶縁体の領域を任意に創出することが可能となることから、同絶縁体は半導体スピントロニクスデバイス材料として期待されるトポロジカルpn接合への道筋を示すことが期待される。Bi2Se3ではバルクの電子状態がディラック点よりも上にあるためp型トポロジカル絶縁体を作れないことから、p型トポロジカル絶縁体となる候補物質としてTlBiSe2を選んだ。その結果、光照射によりn型であったTlBiSe2をp型にすることに成功した。現在は価電子帯とともに測定した内殻準位の結果と合わせて論文の執筆に取り組んでいる。また、TlBiSe2への光誘起ドーピングのメカニズムを解明するには同試料の表面構造を原子レベルで知ることが不可欠である。そこで走査トンネル顕微鏡によりTlBiSe2表面を観測したところ、島状の構造を有するTlがSe面上に存在することを確認した。また、測定した走査トンネル顕微鏡像をフーリエ変換したところ、島状構造が周期性を有していることがわかった。現在は、走査トンネル顕微鏡の結果に光電子分光で得た結果を合わせ、この周期性の起源の解明を進めている。
主課題以外にも、トポロジカル絶縁体と同じく表面にスピン偏極電子状態を有し、トポロジカル超伝導体となる可能性を秘めているSi(111)表面上の電子状態を明らかにするとともに、有機分子CuPcの吸着量とドープ電荷量の相関を明らかにした。
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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
光照射によりn型トポロジカル絶縁体TlBiSe2はp型となることを我々はこれまでに観測している。同様の光誘起ドーピングが起こるBi2Se3とBi2Te3でのメカニズムは、最外層にあるSe 3dもしくはTe 4d内殻準位を励起することによって誘起された化学吸着酸素がホールをドープするものである。これに対してTlBiSe2ではSe 3d内殻準位よりも低い光エネルギーでドーピングが起こり、同じ光誘起ドーピングでもTlBiSe2のメカニズムがBi2Se3とBi2Te3のものと異なることがわかった。そこで光照射量に依存したBi 5d、Tl 5dとSe 3d内殻準位の振る舞いを詳細に解析した。Bi 5dとSe 3dは1つの成分のみが観測されたが、Tl 5dはバルクと表面の2つの成分が観測され、光照射量に依存したそれぞれの準位の振る舞いに違いが見られた。Se 3dは光照射量が増えるに従ってその半値幅が増大したが、Bi 5dはその半値幅が一度減少した後に増大して元の半値幅と同程度になった。Tl 5dは2つの成分の半値幅に大きな変化は無かったが、ドーピングによる束縛エネルギーに違いが見られた。このTlで見られた現象は表面Tlに酸素が吸着していることを示している。そこで走査トンネル顕微鏡によりTlBiSe2の清浄表面を観測したところ、島状の構造を有するTlがSe面上に存在することを確認した。これらの結果は当初の計画通りである。主課題以外にも、トポロジカル絶縁体と同じく表面にスピン偏極電子状態を有し、トポロジカル超伝導体となる可能性を秘めているSi(111)表面上の電子状態を明らかにするとともに、同試料へのホールドープを示す結果を得ている。この結果は当初の計画以上の成果があると言える。
TlBiSe2の局所物性の測定は計画通りに進まなかったが、全体としておおむね順調に進展していると考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度は、これまでに得た成果を基盤に本研究課題を発展させるとともに、トポロジカルpn接合の半導体スピントロニクスデバイスへの応用を探索する。具体的には、まずBi2Se3など他のトポロジカル絶縁体では最外層原子の内殻準位を励起することでn型からp型にドーピングが起こっていたことから、Tl 5d準位が励起される20 eV以上の光エネルギーでの光電子分光測定と励起されない17 eV以下の光エネルギーでの測定を行い、その違いを考察する。走査トンネル顕微鏡を用いて原子レベルでの電子状態を測定することでドーパントである酸素原子が吸着する表面原子の特定、つまりドーパント活性サイトも決定する。これらの実験結果を理論計算より得た電子状態と比較することによってTlBiSe2の光誘起ドーピングのメカニズムを議論する。また、これら光誘起ドーピングは超高真空中で行われているが、デバイスへの応用となると大気中に安定な状態で取り出す必要がある。Bi2Se3に関しては大気中でもある程度の安定を確認しているが、Tlが非常に酸化しやすいことを考えるとTlBiSe2はトポロジカルな電子状態を破壊せずに表面をキャップして大気中に取り出す必要がある。そのキャップ材料の候補として我々はイオン液体を考えている。ただ、現状では真空中でイオン液体を滴下する技術はないため、まずはイオン液体の滴下装置を作成する。滴下前後での伝導測定から、キャップ材としてのイオン液体の可能性を議論し、同試料を用いた半導体スピントロニクスデバイスの実用化に向けた指針を示す。研究全体の総括と光電子分光測定は坂本が、電気伝導測定と局所プローブ顕微鏡による測定は共同研究者の内橋が、試料作製は黒田、理論計算は小田が担当する。
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Research Products
(25 results)
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[Presentation] 10.7 eV レーザーによるトポロジカル表面状態の偏光依存スピン分解 ARPES2021
Author(s)
川口海周, 黒田健太, Zhigang Zhao, 谷俊太郎, 原沢あゆみ, 矢治光一郎, 野口亮, 藤澤正美, 辛埴, 小森文夫, 小林洋平, 近藤猛
Organizer
(14)日本物理学会第76回年次大会
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[Presentation] 時間・スピン・角度分解光電子分光装置の開発2020
Author(s)
川口海周, 黒田健太, Zhigang Zhao, 原沢あゆみ, 矢治光一郎, 野口亮, 谷俊太郎, 藤澤正美, 辛埴, 小森文夫, 小林洋平, 近藤猛
Organizer
日本物理学会2020年秋季大会
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