2021 Fiscal Year Annual Research Report
Creation of 2D flat band materials through concerted experimental and theoretical studies
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20H00328
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| Research Institution | Japan Advanced Institute of Science and Technology |
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Principal Investigator |
高村 由起子 (山田由起子) 北陸先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 教授 (90344720)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
深谷 有喜 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 原子力科学研究所 先端基礎研究センター, 研究主幹 (40370465)
尾崎 泰助 東京大学, 物性研究所, 教授 (70356723)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 二次元材料 / フラットバンド / 走査プローブ顕微鏡 / 全反射高速陽電子回折 / 第一原理電子状態計算 / 角度分解光電子分光 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
令和3年度は、初年度にその常温相についての構造と電子状態に関する成果が論文誌に掲載された二ホウ化ジルコニウム（ZrB2）薄膜上ゲルマニウム（Ge）二重三角格子層の低温における相転移に関する研究が進展した．相転移メカニズム解明を目的として，薄膜試料の全反射高速陽電子回折（TRHEPD）パターンの温度依存性を高エネルギー加速器研究機構物質構造科学研究所の低速陽電子実験施設において調べた結果，TRHEPD強度は明瞭な温度ヒステリシスを示し，この変位型相転移が強い一次相転移であることが明らかとなった．
また，密度汎関数理論に基づく第一原理電子状態計算手法に基づき，ZrB2上Ge二重三角格子の安定構造とその電子状態を系統的に計算し，Ge原子の取り得る二重三角格子構造が複数の準安定状態を有していることを明らかとした．準安定構造の一つは基板上第一層の三角格子が面内に回転することで室温構造の三倍の周期となる構造であり，低温におけるTRHEPD実験の結果と整合するものであった．
初年度にインジウムアンチモン（InSb）単結晶(111)Aウェハ表面をスパッタリングした上で加熱することで得られるInカゴメ格子に関して，第一原理電子状態計算を行い，走査トンネル顕微鏡像や既存の構造モデルとの比較により明らかになった結果をさらに発展させた．Inカゴメ格子上に錫（Sn）原子を加えて計算した結果，Snのカゴメ格子などが安定に存在しうることが明らかとなった．InSb(111)A上のSnの被覆率を変えて計算した結果，フラットバンドが発現する構造も発見した．InSb(111)A表面構造を実際に測定するためのTRHEPD実験にも着手した．
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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
ZrB2薄膜上Ge二重三角格子層の低温における構造変化について，その特徴的な微細構造と転移の際の温度ヒステリシスの存在が実験と計算の協奏で明らかになるなど，研究上大きな進展があった．また，令和3年度には，カゴメ格子や，それを変形してアドアトムを加えた二重三角格子などの他にフラットバンドを発現しうる二次元格子の理論的探索を進めた結果が投稿論文にまとめられ，Physical Review B誌に掲載された．この成果は，今後，新しい二次元フラットバンドマテリアルの実験的合成と評価を行う上で重要な指針となる．
以上から，本研究は目指している方向に着実に進展したと考えている．
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| Strategy for Future Research Activity |
二重三角格子構造をもつZrB2薄膜上二次元Ge 層の低温相転移に関して微細構造や温度ヒステリシスの存在など理解が進んだので，今後はその相転移メカニズムに電子状態測定と第一原理電子状態計算の両面から迫ってゆく．具体的には，薄膜試料を作製して放射光施設の高分解能な角度分解光電子分光を用いて電子状態の低温における変化を詳細に測定し，並行して，第一原理計算により構造安定性と電子状態を求める．実験結果と計算結果をもとに，構造変化が何により引き起こされるのか，フラットバンドとどう関係するのか，を明らかにする．
また，InSb(111)A表面をスパッタリングした後に加熱することで形成されるInのカゴメ格子，及び，その表面にSnを蒸着することで得られる二次元Sn格子について，超高真空走査トンネル顕微鏡装置を用いた試料の作製と表面構造観察を行う．その試料作製方法に基づき再現実験を低速陽電子実験施設で行い，TRHEPDによる微細構造特定を試み，計算結果との整合性を調べる．電子状態についても第一原理計算と角度分解光電子分光を行い，得られた結果を比較してカゴメ格子に発現するフラットバンドに対する基板の影響などを検討する．
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