2021 Fiscal Year Research-status Report
一軸応力印加角度分解光電子分光法によるトポロジカル相転移の研究
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21K03433
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| Research Institution | Hiroshima University |
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Principal Investigator |
有田 将司 広島大学, 技術センター, 技術専門職員 (20379910)
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2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | トポロジカル物質 / 角度分解光電子分光 / 一軸応力印加 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
一軸応力印加を行うことで、結晶の格子定数や物質の対称性が変化する。このことを用い、ミラー対称性に守られたトポロジカル金属表面状態を持つトポロジカル結晶絶縁体Pb1-xSnxTeにおいて、１）格子定数を変化させた場合に発現するトポロジカル相転移とディラックセミメタル状態、２）対称性を変化させた場合に起こるトポロジカル表面状態の変化と、トポロジカル結晶絶縁体の物質端に発現する新しい物質概念ある高次トポロジカル絶縁体のヒンジ状態 について、角度分解光電子分光（ARPES）法により観測を行う。格子定数の操作や対称性の操作でトポロジカル相転移近傍の電子状態を観測し、この物質系での新しい物理的知見を得ることを目指す。またこの研究で、国内では例が無い放射光ARPES装置で広く共同研究ユーザーが利用できる一軸応力印加ARPES用試料ホルダを整備し、実験できる環境を整備することを目的としている。
ブリッジマン法によりPb0.6Sn0.4Te、気相成長法によりSnTeの単結晶作製を行うことができ、それぞれのARPES測定を行うことができた。その結果、これまでの報告のようにトポロジカル結晶絶縁体特有の表面電子状態と考えられるスペクトルを表面ブリルアンゾーンX(-)点周辺で観測することができた。また、手動で1軸応力印加するためにネジによる加圧を行うサンプルホルダを試作し、Pb0.6Sn0.4Teの応力印加下での測定を試みた。ネジ式であるため、試料への加熱が可能であるため、スパッタ・アニールによる[001]清浄表面作成を試み、明瞭なLEED像が観測できる表面を得ることができた。ARPES測定結果は、圧力印加前後で変化は見られなかった。さらに、試料基板に歪を加えるタイプのサンプルホルダも試作し、破断表面に対する測定を行ったが、こちらも歪印加前後での変化は見られなかった。
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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
ARPES用の手動による一軸応力印加ホルダは、ネジによる直接圧力印加タイプと基板に歪を入れる間接歪印加タイプの2種類を試作した。間接型は、試料固定に電気伝導性接着剤を利用するため、清浄表面作成は試料の破断・へき開に限られるが、直接型は、1200℃程度までの加熱が可能なためアニールによる試料清浄表面を作成が可能となっている。
測定単結晶試料は、ブリッジマン法と気相成長法によりPb0.6Sn0.4TeおよびSnTeの作製を試み、いずれも明瞭なラウエ像が得られた。これらの試料の[001]面を、破断法と機械研磨法による清浄表面作成を行い、応力印加ホルダに固定し試料に圧力、歪を与えながらのARPES測定を行った。機械研磨法では、アニール条件の最適化により１ｘ１のＬＥＥＤ像が観測できる清浄表面を得ることができた。ARPES測定は、光エネルギー21eVで励起することで、バルクブリルアンゾーンL点付近の情報を得られる。ここでは、バンド反転が起こり、トポロジカル表面状態が存在する。ARPES測定の結果は、Pb0.6Sn0.4Teでは、バルクギャップ内に金属的なトポロジカル表面状態が明瞭に観測できた。SnTeについては、特徴的な金属的なスペクトルが得られたがバルクバンドと表面バンドとの区別ができなかった。そのため、Pb0.6Sn0.4Teについて、直接型、間接型の両方の応力印加ホルダを用い、一軸応力印加下でのARPES測定を試みた。得られたスペクトルの結果は、両方のホルダにおいて、印加前後での明瞭な変化は得られなかった。変化が見られなかった原因の一つは、応力印加方向が、(100)方向であったことが考えられる。またPb1－xSnxTeは、いわゆる”脆い”試料であり、応力印加後の試料は、割れが生じていることが多いことから、結晶に正しく応力印加が行われていなかった可能性があると考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
Pb0.6Sn0.4Teの応力印加方向を(110)方向に変えたARPES測定を行う。その際に応力印加の方法を見直す。具体的には、これまで試料の大きさが縦1mm横2mm高1mm程度だったが、直接型では圧力をかけ易くするために試料の大きさを小さくする。また、0.5㎜以下の薄い試料を準備し、間接型での印加の際、測定表面へ歪が伝わりやすくするなど対策を行う。
測定試料Pb1－xSnxTeに関しては、スピン軌道相互作用によるバンド反転が発現する前後の組成比x～0.7（ディラックセミメタル近傍）の試料では、応力印加によるトポロジカル表面状態の変化（トポロジカル相転移）も発現し易いと考えられる。またさらに、"Tribial"な絶縁体PbTeに近い組成比の単結晶試料の作製も行い、応力印加下でのARPES測定を試みる。
測定手法については、これまでのARPES用応力印加ホルダの試作によって、試料基板に歪を与える手動式間接型について、比較的簡便に応力印加ができることが分かってきたため、今年度はこの方式についての改良と、超高真空内での測定下でも歪を変化させることができる様に、ピエゾ素子などを利用した電気的に操作のできる応力可変ホルダを作成を試みる。
また、Pb1－xSnxTe系では、結晶が脆く結晶への歪の印加が困難ということが分かってきたため、ピエゾタイプの応力印加測定ホルダ開発に関しては、弾力性がある2次元CDW系物質1T-TaS2などをテスト試料として用いていく。その際、歪ゲージでの基板の歪の大きさの測定し、それに対して、試料の4端子電気抵抗測定を行い、CDW転移点、抵抗率の変化などの観測から、結晶に基板の歪が伝わるかの試験を行う。その後、Pb1－xSnxTeについても4端子電気抵抗測定も行い、歪に対する抵抗率の変化の測定を試みる。
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Research Products
(6 results)
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[Journal Article] Realization of a tunable surface Dirac gap in Sb-doped MnBi2Te42021
Author(s)
Ma Xiao-Ming、Zhao Yufei、Zhang Ke、Kumar Shiv、Lu Ruie、Li Jiayu、Yao Qiushi、Shao Jifeng、Hou Fuchen、Wu Xuefeng、Zeng Meng、Hao Yu-Jie、Hao Zhanyang、Wang Yuan、Liu Xiang-Rui、Shen Huiwen、Sun Hongyi、Mei Jiawei、Miyamoto Koji、Okuda Taichi、Arita Masashi、Schwier Eike F.、Shimada Kenya、Liu Chang [他6名]
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Journal Title
Physical Review B
Volume: 103
Pages: 121112/1～8
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Presentation] 板谷亮太, 戸市裕一朗, 中西龍也, 榎原成則, 葛西健太郎, 中田慶隆, 黒田健太, 福谷圭祐, 山本勇, 有田将司, 坂本一之2022
