2022 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)
吉田 靖雄 金沢大学, 数物科学系, 准教授 (10589790)
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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4年度は、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構造相転移のメカニズムを探るために第一原理計算，及びこれまでに得られた角度分解光電子分光（ARPES）測定と低温走査トンネル顕微鏡（STM）観察・分光の結果の解析を進めた．
ZrB2上Ge二重三角格子のフォノン分散の計算を行った結果，第一ブリルアンゾーンのK点にソフトモードが存在することが明らかとなった．この振動モードはGe二重三角格子中の4量体の面内回転に相当し，前年度までに構築した低温における相転移後の結晶構造モデルとの強い関係性が示唆された．また，強いバイアス電圧依存性を示す低温STM像と，全反射高速陽電子回折（TRHEPD）の測定結果と整合性の良い構造モデルから計算したSTM像は良い一致を示した．我々が妥当だと考えている低温における構造モデルは第一原理計算の結果によると最安定構造ではないものの，複数の実験結果を良く説明することが明らかとなった．さらに，15KにおけるARPES測定の結果を解析したところ，室温ではフェルミ準位まで高い強度を示したフラットバンド由来のバンドのフェルミ準位近傍の強度に減少が観測されており，ギャップが開いていることが示唆された．低温における走査トンネル分光結果の解析からも，同様にフェルミ準位近傍において状態密度の低下が観測されていた．これらの結果は電荷密度波相への転移を示唆しており，フラットバンドとの関係を明らかにするために，今後より詳細な電子状態測定を行う準備を進めた．
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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
令和3年度に大きな進展のあったZrB2薄膜上Ge二重三角格子層の低温における構造相転移とその構造モデルについて，複数の実験手法から得られた測定結果の解析と第一原理計算からその相転移メカニズムに迫る上で確実な進展があった．これらの成果について，3年に一度開催される権威ある国際学会である国際真空会議において成果発表を行った． 一方で，年度末に近くなって薄膜成長装置の真空計制御装置が壊れ，旧式モデルのために修理不能であったため，新しい真空計を購入する必要性が生じた．納期の関係で令和5年3月末までの納入が難しかったことから，予算の繰越を行い，令和5年度に無事に導入することができた．
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層の低温における相転移メカニズムとフェルミ準位近傍のフラットバンド由来の電子状態との関係を明らかにするために，引き続き電子状態測定と第一原理電子状態計算の両面から取り組む．具体的には，薄膜試料を成長して放射光施設において高分解能角度分解光電子分光測定を行い，電子状態の低温における変化を詳細に測定・解析し，第一原理計算により求めた電子状態との比較を行う．測定を行う予定の新しい角度分解光電子分光装置の中で薄膜試料を加熱するための試料ホルダの準備を進めているところであるが，Ge基板の融点が加熱温度と近いために新しい加熱方式のホルダを準備する必要があることが判明し，その準備を進める．
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と予想されるSnのカゴメ格子については，超高真空STM装置内における試料作製と表面構造観察から，測定したい構造の大面積化条件を最適化する．その実験を通して得られた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，電子状態についても第一原理計算とARPES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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