2021 Fiscal Year Final Research Report

Controlling the local electronic state by photo-induced doping; creation of topological pn junction

Research Project

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Project/Area Number	19H02592
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
Allocation Type	Single-year Grants
Section	一般
Review Section	Basic Section 29020:Thin film/surface and interfacial physical properties-related
Research Institution	Osaka University
Principal Investigator	SAKAMOTO Kazuyuki 大阪大学, 工学研究科, 教授 (70261542)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	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) 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)
Project Period (FY)	2019-04-01 – 2022-03-31
Keywords	トポロジカル物質 / 原子層物質 / 光誘起ドーピング / スピン偏極電子バンド / スピン軌道相互作用 / 空間反転対称性 / 光電子分光 / 超伝導体
Outline of Final Research Achievements	The research team has demonstrated that holes can be precisely doped in n-type topological insulators by photoirradiation, and has also succeeded in controlling the electronic state on nanometer scale, which is essential for the creation of spintronics devices using these materials. They also found that this doping is caused by photoexcitation of the inner shells of the outermost layer atoms, e.g., Se atom in case of Bi2Se3, after the sample surface, which is slightly positively charged due to impurity adsorption, is exposed to water. Furthermore, the team found that n-type topological insulators can be converted to p-type by changing the amount of light irradiation. Together with the research on topological insulators, the origin of the spin-polarized electron bands in atomic layer superconductors was elucidated, and the possibility of creating topological superconductors was demonstrated by tuning the energy level of those bands by adsorption of organic molecules.
Free Research Field	応用物理学
Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements	学術的意義として、これまで報告のないトポロジカル絶縁体への全く新しいドーピング機構の解明がまず挙げられる。異種原子の吸着などによるドーピングはこれまで報告されているが、そのいずれも安定性やドープ量の制御に問題があった。光誘起ドーピングは、この両方の問題を解決している。また、原子層物質のスピン偏極電子の起源が軌道角運動量であることを示した結果も同物質の物性研究に大きく貢献するものであり、学術的意義が高い。社会的意義に関しては、現代社会において喫緊の課題である日々爆発的に増加している情報量の処理ができるデバイスの創出に関し、得られた研究結果が道筋をつけたことが挙げられる。