Emergence of edge properties in atomic-layer materials by combining electronic structure imaging and first-principles calculation

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 21H01757
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 28030:Nanomaterials-related
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: Sugawara Katsuaki 東北大学, 理学研究科, 准教授 (70547306)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 原子層材料 / ARPES / MBE / エッジ状態

Outline of Final Research Achievements

In this study, we perform the electronic states imaging by ARPES for monoatomic layer thin films fabricated by MBE. Also, theoretical calculation screening which compares with the first principle calculation result obtained by defining some atomic layer and/or edge structures is performed to identify crystalline and/or edge structures. This procedure is not only to clarify the new crystal and edge structures in atomic layer materials but also to create new functional materials and edge properties. In this study, we have succeeded in fabricating bismuthene as a 2DTI candidate material and a-BI and a-Sb as Rashba insulators grown on H-SiC(0001), uncovering their crystal structures and electronic states by using ARPES and first-principles calculations. Also, in monolayer 1T’-WTe2, the unusual change of electronic structure caused by the negative thermal expansion coefficient has been revealed by ARPES and first-principles calculations.

Free Research Field

光電子固体物性学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

これまで常識であるX線構造解析による結晶構造同定法以外にも逆格子空間の情報である電子状態解析から結晶構造の同定が可能であるのこれまで考えてきた。すなわち実格子空間と逆格子空間を紐付けして量子物性を総括的に解明することが高分解能ARPESにで可能であることを実証する必要があった。本研究によって、高分解能ARPESが電子状態からの電子物性解明のみならず結晶構造の同定という実空間情報へ活用することが可能であることを証明したことは学術的意義として高いと考えている。さらに、電子状態から得られたデータは、現在活発な動きがあるデータサイエンスの学理構築に十分繋がると考えている。