2020 Fiscal Year Annual Research Report
Creation of bismuth layered materials with black phosphorus structure and control of their electronic structures
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20H02617
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
中辻 寛 東京工業大学, 物質理工学院, 准教授 (80311629)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
平山 博之 東京工業大学, 理学院, 教授 (60271582)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 表面電子状態 / ビスマス超薄膜 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、2次元トポロジカル絶縁体転移が理論予測されている黒リン(BP-like)構造のBi(110)超薄膜を半導体基板上に均一に成長させる条件を見出し、その成長過程・原子構造・電子構造を、走査トンネル顕微鏡(STM)と角度分解光電子分光(ARPES)等の実験手法を用いて詳細に明らかにするため、以下の課題に取り組む。(a) Si(111)傾斜基板を用いたり、成長温度や成長速度を制御したりすることで、回転ドメイン数が少なく膜厚の揃った試料を作製し、電子状態の詳細な測定を行う。(b) Bi(110)超薄膜と基板との界面のwetting layerの原子構造ならびに超薄膜最表面の原子構造を明らかにする。(c) 界面における基板との電荷移動の詳細を明らかにし、Bi(110)超薄膜への電荷ドーピング制御の可能性を検討する。
令和2年度は次の成果を得た。(a) 9.5°傾斜Si(111)基板にメタほう酸(HBO2)を蒸着して作製した√3-B構造に成長したBi(110)超薄膜ではドメイン数が減少することをLEEDで確認した。一方フラットSi(111)√3-B基板に100 K程度でBiを蒸着後に室温までアニールする2段階成長で、あるいは、室温でBiを速い蒸着レートで蒸着することで、膜厚の良く揃ったBi(110)超薄膜が得られることをSTMで確認した。(b) 2段階成長で得られたBi(110)超薄膜のwetting layerを含む原子構造をXRDにて明らかにした。(c) ドーピング条件の異なるSi(111)基板に作製したBi(110)超薄膜の電子状態にわずかながらも電荷ドーピングの違いがあることをARPESにて明らかにした。
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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
(a) ドメイン数の減少については、9.5°とかなり傾斜の大きい基板を用いるとある程度減少させられそうな感触を得た。これに加えて対称性の低いSi(110)基板での超薄膜成長を試みたがうまくいかなかったので、1原子層以下の膜厚で出現する3×2 -Bi構造の電子状態を明らかにし、表面原子構造をLEEDにて調べた。一方膜厚制御については2段階成長を用いたり、成長速度を制御したりすることで達成することができた。(b) 外部機関の研究者とのXRD測定の共同研究により、BP-likeな超薄膜の内部構造をwetting layerの部分も含めて明らかにすることができた。(c) ドーピング条件の異なる基板を用いた試料作製を行うため、B蒸着をメタほう酸にて行う方法を確立して実験し、薄膜へのキャリアドーピング制御を行える可能性があることが判明した。以上総合すると、おおむね順調に進展していると考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
(a) 9.5°傾斜基板でどのようにドメイン数が減少しているのかをLEEDやSTMを用いて明らかにする。再現性良く質の高い超薄膜が得られるようであれば、電子状態測定を行う。(c) ドーピング条件の異なるいくつかのSi(111)基板を用いてBi(110)超薄膜の電子状態を詳細に比較し、wetting layerを介してどのように電荷移動が起きているのかを明らかにする。また、ドーピングの違いによって最表面原子構造が異なるのかどうかも明らかにする。
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