遷移金属ダイカルコゲナイド原子層薄膜のスピン・角度分解光電子分光

• 研究課題/領域番号: 22KJ0270
• 補助金の研究課題番号: 22J13724 (2022)
• 研究種目: 特別研究員奨励費
• 配分区分: 基金 (2023); 補助金 (2022)
• 応募区分: 国内
• 審査区分: 小区分13030:磁性、超伝導および強相関系関連
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 川上 竜平 東北大学, 理学研究科, 特別研究員(DC2)
• 研究期間 (年度): 2023-03-08 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 1,700千円 (直接経費: 1,700千円); 2023年度: 800千円 (直接経費: 800千円); 2022年度: 900千円 (直接経費: 900千円)
• キーワード: 角度分解光電子分光法 / 分子線エピタキシー法 / トポタクティック法 / マイクロARPES / 遷移金属ダイカルコゲナイド / 原子層物質

研究開始時の研究の概要

硫黄原子(S)および第Ⅴ族遷移金属原子(M=V, Nb, Ta)を基軸とした原子層遷移金属ダイカルコゲナイド(TMD)薄膜の電子状態を角度分解光電子分光法(ARPES)により決定することを目的として、分子線エピタキシー(MBE)-トポタクティック法による高品質な原子層TMD薄膜を作製する。また、MBE-トポタクティック法によりS原子で部分置換したMSyX2-y(X=Se, Te, 0≦y≦2)および2種類の異なるカルコゲン層で構成された原子層ヤヌスTMDを作製し、ARPESによる電子状態を明らかにするとともに空間反転対称性の破れと超伝導・電荷密度波の関係性を解明する。

研究実績の概要

昨年は、MBE法とトポタクティック法(MBE-トポタクティック法)を組み合わせることで、2層グラフェン/シリコンカーバイド(SiC)基板上に、VTe2、VS2、NbTe2やNbS2を中心とした原子層遷移金属ダイカルコゲナイド(TMD)薄膜を作製しおよびこれらの角度分解光電子分光法(ARPES)による電子構造評価を行った。本年度は、ARPESと第一原理計算を複合的に用いることで、MBE-トポタクティック法で作製したこれらの薄膜試料の精密な結晶構造・電子構造評価について、硫黄(S)原子を基軸とした原子層TMD薄膜の電子物性解明を目的に研究を行なった。
とりわけ、単層VS2においては、ARPESと第一原理計算の結果を比較することにより、正八面体構造(1T)を持つ単層VS2に由来した電子状態を観測し、トポタクティック法を用いることで単層1T-VS2薄膜の作製に初めて成功した。さらに、放射光源をマイクロメートルスケールまで集光したマイクロARPES装置を用いることで、フェルミ準位(EF)近傍の電子状態において電荷密度波(CDW)に由来したエネルギーギャップを観測することに成功した。単層VS2のCDWの起源について明らかにするために、ARPES、STMと第一原理計算を複合的に用いることで、CDW発現機構として複数のフェルミ面ネスティングが寄与していることを見出し、原子層TMDにおける複数のフェルミ面ネスティングとCDWの関係性を初めて実験的に示した。これらの単層VS2に関する研究成果については、nature姉妹紙であるnpj 2D material and applicationに出版し、プレスリリースを行なった。

研究成果

• [国際共同研究] ソレイユ放射光施設(フランス)
• [雑誌論文] Charge order with unusual star-of-David lattice in monolayer NbTe2 (2023)
  • 著者名/発表者名: Taguchi Taiki、Sugawara Katsuaki、Oka Hirofumi、Kawakami Tappei、Saruta Yasuaki、Kato Takemi、Nakayama Kosuke、Souma Seigo、Takahashi Takashi、Fukumura Tomoteru、Sato Takafumi
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 107 号: 4 ページ: 1-6
  • DOI: 10.1103/physrevb.107.l041105
  • 査読あり
• [雑誌論文] Direct Imaging of Band Structure for Powdered Rhombohedral Boron Monosulfide by Microfocused ARPES (2023)
  • 著者名/発表者名: Katsuaki Sugawara, Haruki Kusaka, Tappei Kawakami, Koki Yanagizawa, Asuka Honma, Seigo Souma, Kosuke Nakayama, Masashi Miyakawa, Takashi Taniguchi, Miho Kitamura, Koji Horiba, Hiroshi Kumigashira, Takashi Takahashi, Shin-ichi Orimo, Masayuki Toyoda, Susumu Saito, Takahiro Kondo, and Takafumi Sato
  • 雑誌名: Nano Letters 巻: 23 号: 5 ページ: 1673-1679
  • DOI: 10.1021/acs.nanolett.2c04048
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Visualizing crystal twin boundaries of bismuth by high-spatial-resolution ARPES (2023)
  • 著者名/発表者名: Moriya Ayumi、Nakayama Kosuke、Kawakami Tappei、Maeda Kensaku、Tokuyama Atsuya、Souma Seigo、Chen Chaoyu、Avila Jose、Asensio Maria Carmen、Kitamura Miho、Horiba Koji、Kumigashira Hiroshi、Takahashi Takashi、Fujiwara Kozo、Segawa Kouji、Sato Takafumi
  • 雑誌名: Physical Review Research 巻: 5 号: 2 ページ: 023152-023152
  • DOI: 10.1103/physrevresearch.5.023152
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Charge-density wave associated with higher-order Fermi-surface nesting in monolayer VS2 (2023)
  • 著者名/発表者名: Kawakami Tappei、Sugawara Katsuaki、Oka Hirofumi、Nakayama Kosuke、Yaegashi Ken、Souma Seigo、Takahashi Takashi、Fukumura Tomoteru、Sato Takafumi
  • 雑誌名: npj 2D Materials and Applications 巻: 7 号: 1 ページ: 35-35
  • DOI: 10.1038/s41699-023-00395-z
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Switching of charge-density wave by carrier tuning in monolayer TiTe2 (2023)
  • 著者名/発表者名: Yanagizawa Koki、Sugawara Katsuaki、Kawakami Tappei、Ando Ryuichi、Yaegashi Ken、Nakayama Kosuke、Souma Seigo、Tanaka Kiyohisa、Kitamura Miho、Horiba Koji、Kumigashira Hiroshi、Takahashi Takashi、Sato Takafumi
  • 雑誌名: Physical Review Materials 巻: 7 号: 10 ページ: 104002-104002
  • DOI: 10.1103/physrevmaterials.7.104002
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Moire-Assisted Realization of Octahedral MoTe2 Monolayer (2023)
  • 著者名/発表者名: Yasuaki Saruta, Katsuaki Sugawara, Hirofumi Oka, Tappei Kawakami, Takemi Kato, Kosuke Nakayama, Seigo Souma, Takashi Takahashi, Tomoteru Fukumura, Takafumi Sato
  • 雑誌名: Advanced Science 巻: 10 号: 34 ページ: 2304461-2304461
  • DOI: 10.1002/advs.202304461
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Three-dimensional energy gap and origin of charge-density wave in kagome superconductor KV3Sb5 (2022)
  • 著者名/発表者名: Kato Takemi、Li Yongkai、Kawakami Tappei、Liu Min、Nakayama Kosuke、Wang Zhiwei、Moriya Ayumi、Tanaka Kiyohisa、Takahashi Takashi、Yao Yugui、Sato Takafumi
  • 雑誌名: Communications Materials 巻: 3 号: 1 ページ: 30-30
  • DOI: 10.1038/s43246-022-00255-1
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Development of a versatile micro-focused ARPES system with Kirkpatrick-Baez mirror optics (2022)
  • 著者名/発表者名: M. Kitamura, S. Souma, A. Honma, D. Wakabayashi, H. Tanaka, A. Toyoshima, K. Amemiya, T. Kawakami, K. Sugawara, K. Nakayama, K. Yoshimatsu, H. Kumigashira, T. Sato, K. Horiba
  • 雑誌名: Review of Scientific Instruments 巻: 93 号: 3 ページ: 033906-033906
  • DOI: 10.1063/5.0074393
  • 査読あり
• [学会発表] Charge density wave in monolayer VS2 thin film : μ-ARPES (2023)
  • 著者名/発表者名: Kawakami Tappei
  • 学会等名: 4th PSI Condensed Matter Summer Camp 2023
  • 国際学会
• [学会発表] Signature of higher-order Fermi-surface nesting in monolayer VS2 (2023)
  • 著者名/発表者名: Kawakami Tappei
  • 学会等名: The 7th Symposium for the Core Research Clusters for Materials Science and Spintronics and the 6th Symposium on International Joint Graduate Program in Materials Science and Spintronics
  • 国際学会
• [学会発表] 原子層VSxTe2-xの電子状態：高分解能ARPES (2023)
  • 著者名/発表者名: 川上竜平
  • 学会等名: 日本物理学会2023年春季大会
• [学会発表] 原子層NbS2薄膜の電子状態：マイクロARPES (2022)
  • 著者名/発表者名: 川上竜平
  • 学会等名: 日本物理学会秋季大会
• [学会発表] 原子層VS2の電子状態 : μ-ARPES (2022)
  • 著者名/発表者名: 川上竜平
  • 学会等名: 日本放射光学会第14回若手研究会
• [学会発表] Charge-density wave of monolayer VS2 thin film studied by μ-ARPES (2022)
  • 著者名/発表者名: Tappei Kawakami
  • 学会等名: The 6th Symposium for The Core Research Clusters for Materials Science and Spintronics, and the 5th Symposium on international Joint Graduate Program in Materials Science
  • 国際学会
• [学会発表] Electronic structure of monolayer VS2 thin film studied by ARPES (2022)
  • 著者名/発表者名: Tappei Kawakami
  • 学会等名: 29th International Conference on Low Temperature Physics (LT29)
  • 国際学会
• [学会発表] High-resolution micro-ARPES studies of monolayer VS2 grown on bilayer graphene (2022)
  • 著者名/発表者名: Tappei Kawakami
  • 学会等名: 10th International Workshop on 2D Materials
  • 国際学会
• [備考] 二次元物質の電荷配列現象に 新たな機構「高次ネスティングベクトル」の関与を発見
  • URL: https://www.jst.go.jp/pr/announce/20230508/index.html
• [備考] 二次元物質の電荷配列現象に新たな機構「高次ネスティングベクトル」の関与を発見
  • URL: https://www.wpi-aimr.tohoku.ac.jp/jp/achievements/press/2023/20230508_001615.html