Control of topological electronic state of bismuth atomic layer using epitaxial strain

2020 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 20K03821
• Research Institution: Saga University
• Principal Investigator: 高橋 和敏 佐賀大学, シンクロトロン光応用研究センター, 教授 (30332183)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: 原子層 / 光電子分光 / 放射光 / レーザー

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、面内格子定数を連続変化できる基板を用いてエピタキシャル歪みを制御しながらビスマス原子層を作製し、格子の圧縮や伸張を通じて誘起されるトポロジカル電子状態転移を、エネルギー選択性、偏光制御性、パルス性等の優れた特性を持つシンクロトロン放射光とフェムト秒レーザーという２種の先端的光源を駆使した光電子分光実験により明らかにする。これらの試料作製と電子状態直接観測において、従来の組成制御を通じたスピン軌道相互作用の大きさの走査による方法に加えて、連続可変な格子歪みを通じてトポロジカル状態転移させるというスピン・電子状態への新たな走査軸を与え得ることを、高エネルギー分解能の内殻・価電子帯光電子分光により得られる占有電子状態、レーザー２光子光電子分光により得られるフェルミ準位直上の高波数領域までの非占有領域バンド構造、そして、励起電子状態のフェムト秒ダイナミクスの直接観測から示す。
今年度は、層数と面内格子定数を制御したBi(110)原子層膜を、基板を選択することによってエピタキシャルに作製し、フェルミ準位近傍の詳細なバンド分散を解明することを目的として実験を進めた。当初計画で予定したCdO(001)上Bi(110)膜に加えて、Ge(001)-2x1再構成表面においては1原子層厚さのBi(111)膜が得られることが見いだされ、LEED測定と内殻スペクトル測定によるキャラクタリゼーションと、Bi6s,6p電子に対する励起断面積が大きい15eVの光子エネルギーでの２次元広範囲の角度分解光電子分光測定を行うことができた。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

Ge(001)基板上へのエピタキシャル成長に成功し、LEED測定と内殻スペクトル測定によるキャラクタリゼーションと、1原子層厚さでの占有バンド構造を測定することができた。これらの試料作製において、基板の清浄化条件、成長時の基板温度、成長レート、ポストアニール条件の最適化をすることができた。以上のことから、本研究はおおむね順調に進展している。

Strategy for Future Research Activity

Γ-K方向とΓ-M方向のバンド分散を分離して観測するために、Ge(001)微傾斜ウエハを基板として用いることによりsingle domainの2x1再構成表面上にBi(111)を作製する。基板清浄化においては、スパッタ時のイオンビームの方向とアニール温度の条件を詳細に最適化し、高品質の清浄表面を得ることに留意する。フェルミ面形状の層数依存性に着目して２次元広範囲の角度分解光電子分光測定を行う。

Causes of Carryover

物品購入において、当初の見込みよりも早く成長条件の探索を終えることができたためエピタキシャル成長用の基板の購入量を減らすことができたため、当初予定の消耗品の金額との差異により次年度使用額が生じた。今年度の成果を発展させるGe(001)微傾斜ウエハを購入することが必要となった。このため新たな基板などの消耗品の購入を計画する。