2021 Fiscal Year Annual Research Report
電子状態イメージングと第一原理計算を融合した原子層材料のエッジ物性創発
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21H01757
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
菅原 克明 東北大学, 理学研究科, 准教授 (70547306)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 原子層材料 / ARPES / MBE / エッジ状態 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
原子層研究が活発化する一方、それらの端(エッジ)構造に依存したエッジ物性は理解されていない。その理由は、原子層材料のエッジ構造制御の困難さと、結晶構造を同定する上で用いられるX線回折などによってエッジ構造物性を同定することの困難さにある。そこで本研究では、MBE法で作製した単原子層薄膜の電子状態をARPESによって可視化(イメージング化)し、ある端構造を持つ原子層構造を定義することで得られる電子状態の理論計算スクリーニングによって、原子層材料の終端構造を特定し、エッジ構造に起因した特異エッジ電子物性を創出が目的である。
初年度目となる本年度は、原子層を作製するための新たなMBE装置の建設を進めた。具体的には、所属研究室で故障し使用されなくなったxyzマニピュレータを独自に修理するとともに加熱装置を設計・製作した。また、原子層材料作製のためのBi・Sb・Te・Se用蒸着源を設置した。さらに、高速反射電子回折装置を設置することで、薄膜成長中の結晶構造評価をリアルタイムが可能にした。
MBE装置の建設を行う最中に、エッジ状態の同定には材料の端に分布するフォノン構造の分光学的測定手法の確立が必須であることが判明した。そこで当初研究計画にはなかったイメージング分光器の導入を行うことで、MBE装置で作製した材料をその場でPLやラマンスペクトルなどの測定が可能となる新たな装置を建設した。
また、エッジ電子状態の特定を目指した第一原理計算プログラムワーキングステーションは、ARPES実験を行いながらリモートで計算が行える研究環境に整えた。PCにはプログラミング言語の一つPythonと一般公開されている第一原理計算プログラムQuantum Espressoを導入することで電子状態や格子振動などの様々な計算が行えるように現在調整を進めている。
次年度からより具体的な研究を進める予定である。
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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
初年度はエッジ状態の観測同定を行うための研究環境を整えることに全力を注いだ。その結果、研究概要に記した通り、既存の使用されていない真空装置を積極的に活用することで、新たなM B E装置を建設することができた。さらに当初予定になかった新たな分光器を導入することで、分光器による作製試料の分光学的評価を行うことができるように整備しすることで、本研究内容を格段に拡張することが可能となった。
以上の装置の建設改良を本年度進めることができたため、上記に示さなかった2DTI候補物質のビスマセンや1T-MoTe2原子層薄膜を得ることにすでに成功している。これらの結果は当初の予定を上回る研究進展であることを示す証拠と考えている。来年度もまたさらなる試料合成およびそれらの電子状態評価を強力に進める。以上の観点から、進捗状況は総合的には順調に研究が進展していると個人的に判断した。
しかしながら、本年度の3月に発生した震度６程度の地震によって、開発を行ったMBE装置および分光器などへの実験装置のダメージが未だ把握できていないため。その影響が２年度目にどの程度与えるか判らないのが現状である。
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| Strategy for Future Research Activity |
本申請研究で提案した2DTI候補物質ビスマセンや1T-MoTe2などを積極的に作製し、その電子状態解明を当初の予定どおり進める。したがって、下記２つの研究について研究を進めることとなる。
・水素終端SiC上のV族単原子層ビスマセン・アンチモセンのエッジ状態解明
水素終端SiC基板上の蜂の巣格子状に組んだBiおよびSb単原子層ビスマセンおよびアンチモセンのスピン分解ARPESを行う。すでに初年度でビスマセンの合成に成功しているため、まずはビスマセンのスピン分解ARPESを行い、価電子帯におけるスピン偏極電子状態および価電子帯と伝導帯のバンドギャップ間をつなぐヘリカルスピンエッジ状態の直接観測を行う。
・WX2およびMoX2 (X=S,Se,Te)の単原子層薄膜のエッジ状態解明
MBE法で作製したWX2およびMoX2単原子層薄膜をMBE法で作製し、その電子状態をARPESによって直接イメージング化する。初年度ですでに得られた1T-MoTe2の電子状態をQuantum Espressoによる様々な結晶構造およびエッジ構造を仮定した第一原理計算結果との比較から、その特異な電子状態の起源を明らかにする。
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Research Products
(13 results)
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[Journal Article] Development of a versatile microfocused ARPES system with Kirkpatrick-Baez mirror optics2022
Author(s)
M. Kitamura. S. Souma, A. Honma, D. Wakabayashi, H. Tanaka, A. Toyoshima, K. Amemiya, T. Kawakami, K. Sugawara, K. Nakayama, K. Yoshimatsu, H. Kumigashira , T. Sato, and K. Horiba
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Journal Title
Review of Scientific Instruments
Volume: 93
Pages: 033906-1-8
DOI
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[Journal Article] Dirac semimetal phase and switching of band inversion in XMg2Bi2 (X = Ba and Sr)2021
Author(s)
D. Takane, Y. Kubota, K. Nakayama, T. Kawakami, K. Yamauchi, S. Souma, T. Kato, K. Sugawara, S. Ideta, K. Tanaka, M. Kitamura, K. Horiba, H. Kumigashira, T. Oguchi, T. Takahashi, K. Segawa, and T. Sato
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Journal Title
Scientific Report
Volume: 21
Pages: 21937-1-9
DOI
Open Access
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[Presentation] 原子層MoTe2の特異電子状態:マイクロARPES2022
Author(s)
菅原克明, 猿田康朗，岡博文，川上竜平, 加藤剛臣, 中山耕輔, 相馬清吾, 北村未歩, 堀場弘司, 組頭広志,高橋隆, 福村知昭, 佐藤宇史
Organizer
日本物理学会 第77回年次大会
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