2022 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 |
近年、原子層材料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いまだ理解されていない。その理由は、原子層材料のエッジ構造を制御法の困難さと、バルク体の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、分子線エピタキシー法で作製した単原子層薄膜の電子状態を角度分解光電子分光によって可視化(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を行うことによって、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。
２年度目となる本年度は、水素終端したSiC上へのBiおよびSb蒸着によるビスマセンおよびアンチモネンなどの2DTI原子層の作製を、初年度に改良した分子線エピタキシー(MBE)装置を用いて本格的に取り組んだ。その結果、ビスマセンの作製に成功すると共にその作製過程においてa-Biと呼ばれる(ビスマセンに対して半分のBi原子吸着量)新たな単原子構造の作製に成功した。また、初年度に立ち上げた第一原理計算プログラムワーキングステーションとARPES結果の比較から、それらの電子状態の解明に成功し、その電子状態はスピン軌道相互作用と空間反転対称性の破れによって生じるラシュバ分裂したスピン編曲電子状態を形成することを見出した。
また初年度に新たに導入した分光器を本年度で調整することで、真空中でラマン分光が可能なこれまでにない新たな装置の建設に成功し、原子層薄膜のフォノン構造の情報をその場で解析することを可能にした。今後ラマン分光による局所エッジフォノンの観測から、エッジにおける電子系とフォノン系の関連性を明らかにする。
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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
２年度は、初年度に建設改良を進めたMBE装置を用いて、2DTI候補物質ビスマセンやアンチモネンなどの単原子薄膜の作製とその電子状態解析を行った。その結果、2DTI候補物質のビスマセンにおけるディラック電子状態の直接観測や、ビスマセンとは異なる構造体であるa-Biの作製に成功した。さらにこれらの電子状態が第一原理計算によってスピン偏極電子状態を形成する可能性を見出した。さらに、1T-MoTe2原子層薄膜以外の2DTI候補物質であるWTe2の作成にも成功した。これらの結果は当初の予定どおり順調に研究が進んでいる証拠と考えている。最終年度である来年度は、エッジ状態の直接観測およびその同定のための第一原理計算によるスクリーニングを本格的に行う。
また新たに導入した分光器によって薄膜試料において局所的なフォノンモードの観測が行えるこれまでにない装置の立ち上げに成功した。今後フォノンがエッジに局在したエッジフォノンとエッジ局在状態との相違点・類似点を明らかにすることで、エッジに関するさらなる学理構築を目指していきたいと考えている。
以上の観点から、進捗状況は総合的に概ね順調に研究が進展していると個人的に判断した。また、初年度の3月に発生した震度６程度の地震によって、MBE装置などへのダメージによる修理の時間に多少労力を使ったが、大きな研究の遅れには至らなかった。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究で実現した2DTI候補物質ビスマセンおよび1T-WTe2などのエッジ電子状態の同定を行うためのARPES実験および第一原理計算を行う共に、アンチモネンなどの新原子層材料の電子状態解析も進める。具体的な研究内容は以下の内容である。
・水素終端SiC上のV族単原子層ビスマセン・アンチモネ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ネンのマイクロARPES実験を行うことで局所エッジ電子状態の観測および局所ラマン分光によるエッジフォノンの観測に取り組む。初年度でビスマセンの合成に成功してはいるが、a-Biなどの合成にも成功しているため、それらのエッジ電子状態の直接観測を本年度において全力で取り組む。また、ビスマセンやa-Biのスピン分解ARPESを行うことで、スピン偏極ディラック電子状態およびラシュババンドのスピンテクスチャーおよびヘリカルスピンエッジ状態の直接観測を行う。さらに局所ラマン分光によるエッジフォノンの観測から、ヘリカルスピンエッジ状態とエッジフォノンの類似性・相違性を第一原理計算を取り入れながら解明する。
・WX2およびMoX2 (X=S,Se,Te)の単原子層薄膜のエッジ状態解明
前年度では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およびQuantum Espressoによる電子状態解析を行った。本年度は、1T-WTe2および1T-MoTe2におけるエッジ電子状態を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ARPESによる電子状態の観測から明らかにする。さらに局所ラマン分光によるエッジフォノンの観測から、エッジ物性解明を行う。
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Research Products
(17 results)
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[Journal Article] Direct imaging of band structure for powdered rhombohedral BS by micro-focused ARPES2023
Author(s)
K. Sugawara, H. Kusaka, T. Kawakami, K. Yanagizawa, A. Honma, S. Souma, K. Nakayama, M. Miyakawa, T. Taniguchi, M. Kitamura, K. Horiba, H. Kumigashira, T. Takahashi, S. Orimo, M. Toyoda, S. Saito, T. Kondo, and T. Sato
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Journal Title
Nano Letters
Volume: 23
Pages: 1673-1679
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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[Journal Article] Charge order with unusual star-of-David lattice in monolayer NbTe22023
Author(s)
T. Taguchi, K. Sugawara, H. Oka, T. Kawakami, Y. Saruta, T. Kato, K. Nakayama, S. Souma, T. Takahashi, T. Fukumura, and T. Sato
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Journal Title
Physical Review B
Volume: 107
Pages: L041105-1-6
DOI
Peer Reviewed
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[Presentation] 原子層MoTe2の電子状態: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
2022年第83回応用物理学会秋季学術講演会
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