2020 Fiscal Year Annual Research Report
顕微レーザー角度分解光電子分光による複合原子層における非自明なバンド構造の研究
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20H01834
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
坂野 昌人 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 助教 (70806629)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 顕微レーザー角度分解光電子分光 / 原子層フレーク試料 / ヘテロ構造 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、顕微レーザー角度分解光電子分光装置と、画像認識や機械学習を用いて原子層を自在に積層する複合原子層作製システムを組み合わせて、原子層フレーク試料を積層した複合原子層物質のバンド構造を観測する手法を確立し、新奇量子現象の探求を行うことを目的としている。
本年度は、六方晶窒化ホウ素を基にして順次フレーク試料の積層を行い、最表面がグラフェンで覆われた複合原子層を作製することによって、原子層フレーク試料のバンド構造を直接観測する手法を確立した。この手法は、異種原子層のヘテロ接合体やツイスト積層体への適用が可能であり、今後の研究を飛躍的に展開させるものである。
まず層状半金属WTe2を研究対象として、2~5層WTe2のバンド構造を直接観測した。2層と3層の間でバンドギャップを有する絶縁体的なバンド構造から、電子型とホール型のバンド分散がフェルミ準位を横切る半金属的なバンド構造へと転移することを明らかにした。さらに、空間反転対称性の破れとスピン軌道相互作用によるバンド分散のスピン分裂の大きさが層数の偶奇性に依存することを明らかにした。これらの結果をもとに現在論文を投稿中である。さらに同様の手法を用いて、MoTe2やZrTe化合物、ツイスト積層体、ヘテロ接合体、磁性体や超伝導体との接合体といった様々な複合原子層物質における電子状態の直接観測を行っている。
また、顕微レーザー角度分解光電子分光を改良するために、高精度XYZステージを購入した。新型コロナウイルスの影響によって納品時期が年度末に遅れたものの、ソフトウェアの開発をすでに始めている。現状のレーザーのスポット径を評価したところ、長軸方向に15.7マイクロメートルであることを確認した。
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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
本年度は新型コロナウイルスの影響により、東京大学生産研究所へ行って角度分解光電子分光測定用の複合原子層の試料作製を行う機会が減ってしまったものの、今後の研究展開の鍵となる異種原子層のヘテロ接合体やツイスト積層体における電子構造の観測までも適用可能な試料作製の手法を確立することができた。手法を確立する試行錯誤の段階の副産物として2-5層WTe2の電子構造の直接観測を行ったところ、すべての層数において結晶構造の対称性は同じであるにも関わらず、バンド分散のスピン分裂の大きさが層数の偶奇性に依存するという新たな現象を発見することができた。さらに現在、確立した手法を用いてツイスト積層体、異種原子層によるヘテロ接合体の電子構造の観測を行っており、当初の研究計画以上に研究が進展している。また、超高速時間分解電子顕微鏡を用いた非平衡ダイナミクスの直接観測や、高エネルギーを有する放射光光源を用いた角度分解光電子分光による電子構造の観測など、新たな研究展開が生まれた。
顕微レーザー角度分解光電子分光装置の改良については、試料の測定位置でレーザースポット径が15マイクロメートル未満になることを目標にしていたものの、現状の最小値が15.7マイクロメートルであった。また、試料マニピュレータを乗せる高精度XYZステージの納品が、新型コロナウイルスの影響によって部品調達が遅れたことで年度末へずれ込んだ。現在、制御ソフトウェアの開発を可及的速やかに行っている。
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| Strategy for Future Research Activity |
まずは現在研究を進めているMoTe2の層数依存の観測を行う。WTe2とMoTe2では、明瞭な角度分解光電子分光像が得られることが既に明らかとなっているので、それらのヘテロ接合体やツイスト積層体の研究を行う。さらに、超伝導体や磁性体といった機能性を有した2次元物質との接合体を研究対象とする。
原子層フレーク試料の研究では、試料に多数の電極を取り付けてキャリア注入および電場印加された状態で輸送測定を行うことによって新奇物性を発見してきたという歴史がある。本研究では複合原子層の電子構造を直接観測する手法が確立したことによって、輸送測定や透過型電子顕微鏡による実空間観測と組み合わせて研究を進めていくことが視野に入ってきた。角度分解光電子分光と輸送測定および実空間観測を同一の試料で行える手法を開発し、さらなる新奇物性の探求を行っていく。また、新型コロナウイルスでも持続的に実験を行うことができるように、測定の自動化にも取り組んでいく。
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[Presentation] 原子層1T'-MoTe2における電子状態の観測と層数依存性2021
Author(s)
田中佑磨, 増渕覚, 坂野昌人, 野本拓也, 有田亮太郎, 岡崎尚太, 笹川崇男, 渡邊賢司, 谷口尚, 武田和大, 大池広志, 賀川史敬, 町田友樹, 石坂香子
Organizer
日本物理学会 第76回年次大会
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[Presentation] Observation of the layer dependent electronic structures in atomically thin WTe2 flakes2021
Author(s)
Y. Tanaka, S. Masubuchi, M. Sakano, A. Oshima, T. Nomoto, R. Arita, S. Okazaki, T. Sasagawa, K. Watanabe, T. Taniguchi, T. Machida, K. Ishizaka
Organizer
APS March Meeting 2021
Int'l Joint Research
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[Presentation] 原子層WTe2における層数依存した電子状態の観測2020
Author(s)
田中佑磨, 増渕覚, 坂野昌人, 大島敦史, 野本拓也, 有田亮太郎, 岡崎尚太, 笹川崇男, 渡邊賢司, 谷口尚, 町田友樹, 石坂香子
Organizer
日本物理学会 2020年秋季大会
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[Presentation] Radial spin texture in elemental tellurium with chiral crystal structure2020
Author(s)
M. Sakano, M. Hirayama, T. Takahashi, S. Akebi, M. Nakayama, K. Kuroda, K. Taguchi, T. Yoshikawa, K. Miyamoto, T. Okuda, K. Ono, H. Kumigashira, T. Ideue, Y. Iwasa, N. Mitsuishi, K. Ishizaka, S. Shin, T. Miyake, S. Murakami, T. Sasagawa, and Takeshi Kondo
Organizer
Quantum Complex Matter 2020
Int'l Joint Research / Invited
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[Presentation] Fabrication of atomically thin WTe2 flakes and band structure investigation by angle-resolved photoemission spectroscopy2020
Author(s)
Y. Tanaka, S. Masubuchi, M. Sakano, A. Oshima, T. Nomoto, R. Arita, S. Okazaki, T. Sasagawa, K. Watanabe, T. Taniguchi, T. Machida, K. Ishizaka
Organizer
Quantum Complex Matter 2020
Int'l Joint Research / Invited
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[Presentation] 原子層WTe2における電子状態の観測と層数依存性2020
Author(s)
田中佑磨, 増渕覚, 坂野昌人, 野本拓也, 有田亮太郎, 岡崎尚太, 笹川崇男, 渡邊賢司, 谷口尚, 武田和大, 大池広志, 賀川史敬, 町田友樹, 石坂香子
Organizer
第81回応用物理学会秋季学術講演会
