トポロジカル絶縁体への新奇光誘起ドーピング機構の解明

• Project Area: 3D Active-Site Science
• Project/Area Number: 15H01041
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Chiba University
• Principal Investigator: 坂本 一之 千葉大学, 大学院融合科学研究科, 教授 (70261542)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2017-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2016)
• Budget Amount: ¥6,370,000 (Direct Cost: ¥4,900,000、Indirect Cost: ¥1,470,000); Fiscal Year 2016: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000); Fiscal Year 2015: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000)
• Keywords: ナノ構造物理 / 光誘起ドーピング / トポロジカル絶縁体 / スピントロニクス / 表面物性

Outline of Annual Research Achievements

理想的にはバルクが絶縁体でエッジ状態のみが金属的な電子状態となるはずのトポロジカル絶縁体Bi2Se3は、実際にはSe欠損などによって電子ドープ状態となりバルクが金属的な電子状態となる。本研究目的は、我々のグループで見出したH2O雰囲気下でBi2Se3に真空紫外光を照射することで光を照射した領域のみホールドープによりバルクの電子状態が絶縁体的になるという、新奇光誘起ドーピング効果の機構を解明することである。
そこでまず、光誘起ドーピングの局所性と安定性の確認を目的に、九州シンクロトロン光研究センターにて超高真空中でH2Oを曝露したBi2Se3試料に光を照射することでホールドーピングした試料を大気に取り出した後、Spring-8に搬送して24時間後に再び超高真空槽に導入してドーパントである吸着酸素原子からの光電子の空間マッピングを測定することで光誘起ドーピングの局所性と大気圧環境下での安定性を確認した。また、ドーパントである吸着酸素原子周りの局所原子構造と酸素吸着によるBi2Se3の構造変化に関する知見を得るためにSpring-8のビームライン25SUとSwiss LightsourceのPEARLビームラインにてBi 4f、Bi 4d、Se 3d、O 1sとO KLLオージェからの光電子パターンを測定した。酸素吸着前後の吸着パターンが酷似していることから酸素吸着による構造変化が非常に小さいことがわかった。また、O 1sの光電子パターンより酸素が表面最外層ではなく、最外Se層の下に吸着していることがわかった。
新奇光誘起ドーピングがBi2Se3のみでなく、他のトポロジカル絶縁体でも起こる普遍的な現象であることを確認するため、Bi2Se3と同様の原子構造を有するBi2Te3を用いて同様の実験をしたところ、Bi2Te3においてもホールドープを確認した。

Research Progress Status

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] IOM CNR(イタリア)
• [Int'l Joint Research] 浦項工科大学校(韓国)
• [Int'l Joint Research] 中国科学アカデミー(中国)
• [Int'l Joint Research] Max Lab(スウェーデン)
• [Int'l Joint Research] シンガポール国立大学(シンガポール)
• [Int'l Joint Research]
• [Int'l Joint Research] Elettra Synchrotron Trieste(Italy)
• [Journal Article] Controlled Modification of Superconductivity in Epitaxial Atomic Layer-Organic Molecule Heterostructures (2017)
  • Author(s): S. Yoshizawa, E. Minamitani, S. Vijayaraghavan, P. Mishra, Y. Takagi, T. Yokoyama, H. Oba, J. Nitta, K. Sakamoto, S. Watanabe, T. Nakayama, and T. Uchihashi
  • Journal Title: Nano Lett. Volume: 17 Issue: 4 Pages: 2287-2293
  • DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b05010
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Nonvortical Rashba spin structure on a surface with C1h symmetry (2016)
  • Author(s): E. Annese, T. Kuzumaki, B. Mueller, Y. Yamamoto, H. Nakano, H. Kato, A. Araki, M. Ohtaka, T. Aoki, H. Ishikawa, T. Hayashida, J. R. Osiecki, K. Miyamoto, Y. Takeichi, A. Harasawa, K. Yaji, T. Shirasawa, K.-i. Nittoh, W. I. Yang, K. Miki, T. Oda, H. W. Yeom, and K. Sakamoto
  • Journal Title: Phys. Rev. Lett. Volume: 117 Issue: 1 Pages: 016803-016803
  • DOI: 10.1103/physrevlett.117.016803
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Adsorption-enhanced spin-orbit coupling of buckled honeycomb silicon (2016)
  • Author(s): J.-T. Sun, W. Chen, K. Sakamoto, Y. P. Feng, and A. T. S. Wee
  • Journal Title: Physica E Volume: 83 Pages: 141-145
  • DOI: 10.1016/j.physe.2016.04.022
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] The Rashba-split surface state of Sb2Te3(0001) and its interaction with bulk states (2015)
  • Author(s): C. Seibel, H. Maass, H. Bentmann, J. Braun, K. Sakamoto, M. Arita, K. Shimada, J. Minar, H. Ebert, and F. Reinert
  • Journal Title: J. Electron Spectrosc. Relat. Phenom. Volume: 201 Pages: 110-114
  • DOI: 10.1016/j.elspec.2014.12.003
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Spin texture with a twist in momentum space for Tl/Si(111) (2015)
  • Author(s): S.D. Stolwijk, K. Sakamoto, A.B. Schmidt, P. Kruger, and M. Donath
  • Journal Title: Phys. Rev. B Volume: 91 Issue: 24 Pages: 245420-245420
  • DOI: 10.1103/physrevb.91.245420
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] FePc/Metal Interfaces Driven by the Electronic States of Different Low-Dimensional Ag Structures Formed on Si(111) (2015)
  • Author(s): E. Annese, A. Rosi, J. Fujii, and K. Sakamoto
  • Journal Title: J. Phys. Chem. C Volume: 119 Issue: 34 Pages: 20065-20073
  • DOI: 10.1021/jp512720p
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Self-assembled honeycomb lattice in the monolayer of cyclic thiazyl diradical BDTDA (=4,4′-bis(1,2,3,5-dithiadiazolyl)) on Cu(111) with a zero-bias tunneling spectra anomaly (2015)
  • Author(s): Masayuki Yamamoto, Rie Suizu, Sudipta Dutta, Puneet Mishra, Tomonobu Nakayama, Kazuyuki Sakamoto, Katsunori Wakabayashi, Takashi Uchihashi & Kunio Awaga
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 5 Issue: 1 Pages: 18359-18359
  • DOI: 10.1038/srep18359
  • NAID: 120006780789
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Symmetry induced peculiar Rashba effect on thallium adsorbed Si(111) surfaces (2014)
  • Author(s): K. Sakamoto, T. Oda, A. Kimura, Y. Takeichi, J. Fujii, R. I. G. Uhrberg, M. Donath, H. W. Yeom
  • Journal Title: J. Elec. Spectrosc. Relat. Phenom. Volume: - Pages: 88-91
  • DOI: 10.1016/j.elspec.2014.09.008
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 固体表面における特異なスピン偏極電子バンド (2017)
  • Author(s): 坂本一之
  • Organizer: 淡路夢舞台国際会議場
  • Place of Presentation: 大阪大学
  • Year and Date: 2017-03-29
• [Presentation] スピンクロスオーバー錯体[Fe(tdap)2(NCS)2]薄膜の温度に依存した電子状態 (2017)
  • Author(s): 新田淳、珠玖良昭、山本勇、島野拓也、阿波賀邦夫、坂本一之
  • Organizer: 日本物理学会2016年春季大会
  • Place of Presentation: 大阪大学
  • Year and Date: 2017-03-17
• [Presentation] X線光電子回折による酸素吸着Bi2Se3の表面近傍原子構造 (2017)
  • Author(s): 和気崇、岡本隆志、大門寛 、M. Muntwiler 、松井文彦、坂本一之
  • Organizer: 日本物理学会2016年春季大会
  • Place of Presentation: 大阪大学
  • Year and Date: 2017-03-17
• [Presentation] Non-vortical Rashba spin structure induced by the C1h symmetry of the surface (2017)
  • Author(s): K. Sakamoto
  • Organizer: Symposium on Surface and Nano Science 2017 (SSNS’17)
  • Place of Presentation: 新富良野プリンスホテル
  • Year and Date: 2017-01-11
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Non-vortical Rashba spin structure induced by the C1h symmetry of the surface (2016)
  • Author(s): K. Sakamoto, E. Annese, T. Kuzumaki, B. Mueller, Y. Yamamoto, H. Ishikawa, H. Nakano, A. Harasawa, Y. Takeichi, K. Yaji, T. Shirasawa, K. Miyamoto, K.-i. Nitto, K. Miki, H.W. Yeom, T. Oda
  • Organizer: 13th International Conference on Atomically Controlled Surfaces
  • Place of Presentation: Rome, Italy
  • Year and Date: 2016-10-09
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] タリウム単結晶薄膜の電子構造 (2016)
  • Author(s): 岩岡睦月、八百板裕智、張一拓、Yasmine Sassa、藤井純、吉田靖雄、長谷川幸雄、坂本一之
  • Organizer: 日本物理学会2016年秋季大会
  • Place of Presentation: 金沢大学
  • Year and Date: 2016-09-13
• [Presentation] Pb/Si(110)-(2×4)表面の電子構造 (2016)
  • Author(s): 山崎洸、尾田裕一、日塔光一、三木一司、坂本一之
  • Organizer: 日本物理学会2016年秋季大会
  • Place of Presentation: 金沢大学
  • Year and Date: 2016-09-13
• [Presentation] 高品質ルブレン単結晶の電子構造 (2016)
  • Author(s): 新田淳、E. Annese、藤井純、三輪一元、小野新平、坂本一之
  • Organizer: 日本物理学会2016年秋季大会
  • Place of Presentation: 金沢大学
  • Year and Date: 2016-09-13
• [Presentation] CuPc吸着In/Si(111)-(√7×√3)表面の電子構造 (2016)
  • Author(s): 大場裕晃、新田淳、吉澤俊介、内橋隆、坂本一之
  • Organizer: 日本物理学会2016年秋季大会
  • Place of Presentation: 金沢大学
  • Year and Date: 2016-09-13
• [Presentation] Si(001)表面上の（擬）1次元Bi鎖の電子構造 (2016)
  • Author(s): 尾田裕一、山崎洸、沈陽、日塔光、三木一司、坂本一之
  • Organizer: 日本物理学会2016年秋季大会
  • Place of Presentation: 金沢大学
  • Year and Date: 2016-09-13
• [Presentation] Electronic structure of high-quality rubrene single crystal (2016)
  • Author(s): J. Nitta, K. Miwa, E. Annese, J. Fujii, S. Ono, and K. Sakamoto
  • Organizer: 20th International Vacuum Congress (IVC-20)
  • Place of Presentation: Busan, Korea
  • Year and Date: 2016-08-21
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Electronic structure of Tl single crystal film (2016)
  • Author(s): M. Iwaoka, Y. Yaoita, Y. Zhang, Y. Sassa, J. Fujii, Y. Yoshida, Y. Hasegawa, and K. Sakamoto
  • Organizer: 20th International Vacuum Congress (IVC-20)
  • Place of Presentation: Busan, Korea
  • Year and Date: 2016-08-21
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] C1h symmetry induced non-vortical Rashba spin structure (2016)
  • Author(s): K. Sakamoto, E. Annese, T. Kuzumaki, B. Mueller, Y. Yamamoto, H. Ishikawa, H. Nakano, A. Harasawa, Y. Takeichi, K. Yaji, T. Shirasawa, K. Miyamoto, K.-i. Nitto, K. Miki, H.W. Yeom, T. Oda
  • Organizer: 39th International Conference on Vacuum Ultraviolet and X-ray Physics (VUVX2016)
  • Place of Presentation: Zurich, Switzerland
  • Year and Date: 2016-07-03
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Electronic structure of Au nanoparticles (2016)
  • Author(s): K. Sakamoto
  • Organizer: Core-to-Core/Leverhulme Trust 4th Joing Workshop
  • Place of Presentation: St. Andrews, UK
  • Year and Date: 2016-04-10
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Peculiar Electronic Structure of Heavy Element Alloy Formed on a Semiconductor Surface (2015)
  • Author(s): Kazuyuki Sakamoto
  • Organizer: the 15th International Conference on the Formation of Semiconductor Interfaces (ICFSI-15)
  • Place of Presentation: Hiroshima, Japan
  • Year and Date: 2015-11-15
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Electronic structure of a heavy element alloy TlBi formed on a Si(111) surface (2015)
  • Author(s): Hirotaka Ishikawa, Toru Hazama, Takashi Hayashida, Yuichi Oda, Yuchi Yaoita, and Kazuyuki Sakamoto
  • Organizer: the 15th International Conference on Electron Spectroscopy and Structure (ICESS-15)
  • Place of Presentation: Stony Brook, New York, USA
  • Year and Date: 2015-09-28
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Two-dimensional electronic structures of materials with strong spin-orbit coupling (2015)
  • Author(s): Kazuyuki Sakamoto
  • Organizer: the 28th Annual MAX IV Laboratory User Meeting (UM15)
  • Place of Presentation: Lund, Sweden
  • Year and Date: 2015-09-21
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] "The stream and prospects of condensed matter physics in subsurface region using novel spectroscopy" - Introduction - (2015)
  • Author(s): Kazuyuki Sakamoto
  • Organizer: 日本物理学会2015年秋季大会
  • Place of Presentation: 関西大学
  • Year and Date: 2015-09-16
• [Presentation] Electronic structure of TlBi alloy formed on Si(111) (2015)
  • Author(s): Hirotaka Ishikawa, Toru Hazama, Takashi Hayashida, Yuichi Oda, Yuchi Yaoita, and Kazuyuki Sakamoto
  • Organizer: the 31st European Conference on Surface Science (ECOSS-31)
  • Place of Presentation: Barcelona, Spain
  • Year and Date: 2015-08-31
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] First-principles study on the vertical spin texture of anomalous Rashba effect in Tl/Si(111) and Tl/Si(110) (2015)
  • Author(s): Hiroto Nakano, Haruki Kato, Masao Obata, Daiki Yoshikawa, Naohiro Kitagawa, Kazuyuki Sakamoto, Tatsuki Oda
  • Organizer: 20th International Conference on Magnetism (ICM2015)
  • Place of Presentation: Barcelona,Spain
  • Year and Date: 2015-07-10
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] 千葉大学 坂本一之グループ ホームページ
  • URL: http://surfnanophys.adv.chiba-u.jp/Welcome.html
• [Remarks] 千葉大学 プレスリリース
  • URL: http://www.chiba-u.ac.jp/general/publicity/press/files/2017/20170407_genshi.pdf
• [Remarks] 千葉大学 プレスリリース
  • URL: http://www.chiba-u.ac.jp/general/publicity/press/files/2016/20160706_2.pdf
• [Remarks] 千葉大学大学院融合科学研究科ナノサイエンス専攻 坂本グループ ホームページ
  • URL: http://surfnanophys.adv.chiba-u.jp/Welcome.html