2022 Fiscal Year Research-status Report
層状化合物超薄膜のファンデルワースル界面に局在する2次元電子状態と電気伝導特性
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21K03432
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
八田 振一郎 京都大学, 理学研究科, 助教 (70420396)
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2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 層状化合物 / 超薄膜 / ヘテロ界面 / 角度分解光電子分光法 / 低速電子回折法 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
二次元層状化合物のファンデルワールス（vdW）界面に局在する二次元電子状態の物性解明を目指し、主に金属カルコゲナイド（Bi2Te3など）の超薄膜（ヘテロ構造を含む）の物性を研究している。
昨年度までにSi(111)基板上のCaF2(111)薄膜を基板とすることでBi2Te3がtwin構造を持たない、単結晶薄膜として成長することを確認していたが、新たに回折パターンの膜厚変化を詳しく解析した。その結果、第１層目が成長した段階ではtwinドメインが同割合で存在し、膜厚の増加とともに偏りが大きくなる傾向が確認できた。ドメイン比の変化は4層目で飽和し、それ以降はシングルドメインのみ成長していた。さらに、5層薄膜について低速電子回折法のI-V曲線の解析を行い、表面近傍の原子にわずかに緩和が見られるものの、ほぼバルクの構造と同じであることが分かった。
このCaF2(111)基板上のBi2Te3(111)超薄膜については、東京大学物性研究所近藤研究室との共同研究を開始した。レーザースピン分解角度分解光電子分光による実験を行い、膜厚が増加したときにトポロジカル表面状態へと変化する2次元電子状態のスピン偏極構造が膜厚によって変化することなど新しい知見を得ることに成功した。
ハロゲン化合物でvdW界面を有するFeBr2超薄膜の成長と電子構造に関する研究も行った。基板に用いたBi(111)表面との間にモアレパターンが発生していることや、Feの3d軌道に由来する価電子状態の同定を行い、成果をまとめた論文を現在投稿中である。
このほか、層状化合物と金属の原子レベルで平坦なヘテロ界面の作製が期待できるSi(111)上のIn超薄膜の研究も行った。蒸着時の基板温度を液体窒素温度近くに下げることで、３原子層相当の結晶性の高い超薄膜が作製できることを見出し、原子構造や電子構造について明らかにした。
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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
vdW界面の電子物性を解明するための実験的な課題は、均一かつ結晶性の高い超薄膜を作製することである。CaF2(111)基板上のBi2Te3超薄膜ではこれを達成できたため、電子構造についてvdW界面数の変化との関係を実験的に調べることができている。また、独自に開発した超高真空4端子電気伝導測定器を用いて、電気伝導度の測定も行い、高い伝導性が確認できている。これは別の基板を用いた先行研究と一致する結果であり、vdW界面状態の伝導性が基板やドメイン構造の違いを受けにくいことを示唆している。ヘテロvdW界面をもつ薄膜にしたときにどのような物性の違いが生じるのかが本研究の興味の核心であるため、Bi2Se3/Bi2Te3ヘテロ超薄膜の作製の準備も進めてきた。
Bi2Se3を分子線エピタキシー（MBE）法で成長させる場合、Se雰囲気中でのBiを蒸着し、基板上で反応・2次元成長させる方法が一般的であるが、この方法では測定系へのSe汚染が問題となる。また、本研究特有の問題として、Bi2Te3とSeガスが反応する可能性もある。そこで、Bi2Te3と同様、Bi2Se3の昇華によるMBE法を目指すことにした。水晶振動子膜厚計とSeを検出する四重極型質量分析計を組み合わせた試験を行い、現在、Si(111)基板上での最終的な確認を行っている段階にある。
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| Strategy for Future Research Activity |
Bi2Se3の成膜条件を確立した後、Bi2Te3超薄膜の上にBi2Se3超薄膜を作製し、Te原子層とSe原子層が接するヘテロvdW界面の物性測定を行う。Bi2Se3の膜厚が十分薄いときには角度分解光電子分光法によって、このヘテロvdW界面特有の電子構造を検出できる。さらに、伝導度測定を行い、ヘテロvdW界面とホモvdW界面の場合を比較する。ヘテロvdW界面では電荷移動によるポテンシャル勾配が存在し、それによるRashba効果や波動関数の偏りによる散乱因子の違いなどが伝導性に影響するはずである。これを原子構造および電子構造の知見と合わせて議論できるよう実験データを積み上げる。
また、ヘテロvdW界面は空間反転対称が破れた場であり、また原子レベルで制御されたバンド接合を構成している領域である。このような場での光電変換についての研究が近年盛んになっていることを考慮し、真空装置外部から光を超薄膜に照射する機構を設置する。これを電気伝導度測定に用いる4端子プローブと組み合わせ、光電流の検出を行い、新しい現象の発見も目指す。
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| Causes of Carryover |
3月に開催された学会への参加における旅費が概算を下回ったため残余した分を次年度使用することにした。少額であるため、次年度の研究における使用計画には影響しない。
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