2019 Fiscal Year Research-status Report
Fabrication of periodic arrays of dislocations in topological insulators and investigation of their electronic properties
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19K04984
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
徳本 有紀 東京大学, 生産技術研究所, 講師 (20546866)
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2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | トポロジカル絶縁体 / 転位 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、トポロジカル絶縁体中転位の特殊な金属状態の電子物性を定量的に評価すること、さらに、新奇な転位状態の応用の可能性を示すことを目的とする。伝導特性と転位の構造、密度の対応付けを正確にするために、小傾角粒界を有する双結晶を作製することが有効である。本年度は、Bi-Sbトポロジカル絶縁体について、小傾角粒界を有する双結晶作製のための結晶育成法改良と、双結晶作製法の検討を行った。また、塑性変形により転位を導入した試料について、マイクロサンプルを用いた電気伝導測定を行い、転位の効果を検出した。さらに、Bi-Sbと同じトポロジカル指数(1;111)をもつPb-(Bi,Sb)-(Te,Se)トポロジカル絶縁体についてもバルク絶縁性向上に関する実験を進めた。
Bi-Sbトポロジカル絶縁体については、ゾーンメルト法により結晶育成を行い、バルクバンドギャップの大きい組成の単結晶を得るための条件を見出した。また、塑性変形により伝導条件を満たす転位を導入した試料について、集束イオン/電子ビーム加工装置(FIB-SEM)により微細試料を切り出し、電気伝導測定を行った。その結果、顕著な伝導転位の効果を検出した。
Pb-(Bi,Sb)-(Te,Se)は、Bi-Sbと同様にトポロジカル絶縁体の中でも転位に沿って特殊な金属状態が発現し得る数少ない物質の一つである。TeをSeで置換することにより、バルクのバンドギャップを増大させる効果があることが予測されている。さらに、Te/Seが秩序構造をとることによりバンドギャップが増大することが予測されている。これを、走査透過型電子顕微鏡/電子エネルギー損失分光法(STEM/EELS)を用いて明らかにした。また、バルク絶縁性の高い結晶を得るために、原料組成を変えたPb-(Bi,Sb)-(Te,Se)結晶育成を行い、得られた結晶の組成分析、電気伝導評価を行った。
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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
本研究は当初、(1)Bi-Sb双結晶作製、(2)双結晶粒界に導入された転位の評価、(3) FIB-SEMを用いた微細試料作製、電気伝導度測定、(4)走査トンネル分光(STS)実験、を行う計画であった。【研究実績の概要】で述べたように本年度は主に(1)と、Bi-Sbに替わる候補材料であるPb-(Bi,Sb)-(Te,Se)のバルク絶縁性向上の実験を進めた。
(1)については、当初浮遊帯溶融(FZ)法により双結晶を作製することを計画していたが、表面張力が小さく、溶融帯を保持することができなかったため、ゾーンメルト法に切り替えて結晶育成を行い、バルクバンドギャップの大きい組成の単結晶を得るための条件を見出した。また、塑性変形により伝導条件を満たす転位を導入した試料について、FIB-SEMによりマイクロメートルサイズの試料を切り出し、電気伝導測定を行った。未変形の試料、および、伝導条件を満たさない転位を導入した試料についても同様な測定を行った。その結果、顕著な伝導転位の効果を検出することに成功した。
Pb-(Bi,Sb)-(Te,Se)は、Bi-Sbと同様にトポロジカル絶縁体の中でも転位に沿って特殊な金属状態が発現し得る数少ない物質の一つである。バルクのバンドギャップがBi-Sbよりも大きいため、転位の特殊な電子物性を探索するための舞台として期待される。本研究では走査透過型電子顕微鏡・電子エネルギー損失分光法を用いてTeとSeの分布を調べ、理論計算によりバンドギャップの増大が期待される秩序構造が実際に得られていることを明らかにした。また、バルク絶縁性の良い結晶を得るために、原料組成を変えたPb-(Bi,Sb)-(Te,Se)結晶育成を行い、得られた結晶の単相性評価、組成分析、電気伝導評価を行った。
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| Strategy for Future Research Activity |
【現在までの進捗状況】の冒頭に記した当初計画の(1)を引き続き推進し、これが達成された後、(2)、(3)、(4)を推進する。
(1)については、ホットプレスによるBi-Sb双結晶の作製に取り組む。これまでにホットプレス機の立上げが完了している。今後この装置を用いてBi-Sb双結晶を作製するため、条件出しの準備を進めている。
(2)については、透過型電子顕微鏡(TEM)試料作製およびTEM観察は常時可能であるので、(1)の転位列を含む双結晶が作製されれば、すぐに遂行可能である。
(3)については、微細試料の電気伝導測定用の基板は既に作製している。また、FIB-SEMを用いた微細試料の加工に関しても、塑性変形により転位を導入した試料を用いて十分に経験を積んでいる。 (1)の転位列を含む双結晶が作製され次第すぐに取り組む予定である。
(4)については、これまでに、使用する実験装置および試料の清浄表面の出し方について検討し、既存の劈開装置にて清浄表面を得ることが可能であることを確認した。今後、伝導転位を含む試料を用いて、走査トンネル顕微鏡(STM)観察による転位の位置の特定、低温STS実験による転位部分の状態密度の測定を行う予定である。トポロジカル絶縁体の表面にも金属状態が存在するという問題があるため、転位と転位がない表面との微分コンダクタンスの差を求めることにより、表面の状態密度と区別することを検討している。
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