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

• 研究領域: ３Ｄ活性サイト科学
• 研究課題/領域番号: 15H01041
• 研究種目: 新学術領域研究(研究領域提案型)
• 配分区分: 補助金
• 審査区分: 理工系
• 研究機関: 千葉大学
• 研究代表者: 坂本 一之 千葉大学, 大学院融合科学研究科, 教授 (70261542)
• 研究期間 (年度): 2015-04-01 – 2017-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2016年度)
• 配分額: 6,370千円 (直接経費: 4,900千円、間接経費: 1,470千円); 2016年度: 3,250千円 (直接経費: 2,500千円、間接経費: 750千円); 2015年度: 3,120千円 (直接経費: 2,400千円、間接経費: 720千円)
• キーワード: 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

研究実績の概要

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。

現在までの達成度 (段落)

28年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

28年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] IOM CNR(イタリア)
• [国際共同研究] 浦項工科大学校(韓国)
• [国際共同研究] 中国科学アカデミー(中国)
• [国際共同研究] Max Lab(スウェーデン)
• [国際共同研究] シンガポール国立大学(シンガポール)
• [国際共同研究]
• [国際共同研究] Elettra Synchrotron Trieste(Italy)
• [雑誌論文] Controlled Modification of Superconductivity in Epitaxial Atomic Layer-Organic Molecule Heterostructures (2017)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: Nano Lett. 巻: 17 号: 4 ページ: 2287-2293
  • DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b05010
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Nonvortical Rashba spin structure on a surface with C1h symmetry (2016)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: Phys. Rev. Lett. 巻: 117 号: 1 ページ: 016803-016803
  • DOI: 10.1103/physrevlett.117.016803
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Adsorption-enhanced spin-orbit coupling of buckled honeycomb silicon (2016)
  • 著者名/発表者名: J.-T. Sun, W. Chen, K. Sakamoto, Y. P. Feng, and A. T. S. Wee
  • 雑誌名: Physica E 巻: 83 ページ: 141-145
  • DOI: 10.1016/j.physe.2016.04.022
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] The Rashba-split surface state of Sb2Te3(0001) and its interaction with bulk states (2015)
  • 著者名/発表者名: C. Seibel, H. Maass, H. Bentmann, J. Braun, K. Sakamoto, M. Arita, K. Shimada, J. Minar, H. Ebert, and F. Reinert
  • 雑誌名: J. Electron Spectrosc. Relat. Phenom. 巻: 201 ページ: 110-114
  • DOI: 10.1016/j.elspec.2014.12.003
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Spin texture with a twist in momentum space for Tl/Si(111) (2015)
  • 著者名/発表者名: S.D. Stolwijk, K. Sakamoto, A.B. Schmidt, P. Kruger, and M. Donath
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 91 号: 24 ページ: 245420-245420
  • DOI: 10.1103/physrevb.91.245420
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] FePc/Metal Interfaces Driven by the Electronic States of Different Low-Dimensional Ag Structures Formed on Si(111) (2015)
  • 著者名/発表者名: E. Annese, A. Rosi, J. Fujii, and K. Sakamoto
  • 雑誌名: J. Phys. Chem. C 巻: 119 号: 34 ページ: 20065-20073
  • DOI: 10.1021/jp512720p
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] 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)
  • 著者名/発表者名: Masayuki Yamamoto, Rie Suizu, Sudipta Dutta, Puneet Mishra, Tomonobu Nakayama, Kazuyuki Sakamoto, Katsunori Wakabayashi, Takashi Uchihashi & Kunio Awaga
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 5 号: 1 ページ: 18359-18359
  • DOI: 10.1038/srep18359
  • NAID: 120006780789
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Symmetry induced peculiar Rashba effect on thallium adsorbed Si(111) surfaces (2014)
  • 著者名/発表者名: K. Sakamoto, T. Oda, A. Kimura, Y. Takeichi, J. Fujii, R. I. G. Uhrberg, M. Donath, H. W. Yeom
  • 雑誌名: J. Elec. Spectrosc. Relat. Phenom. 巻: - ページ: 88-91
  • DOI: 10.1016/j.elspec.2014.09.008
  • 査読あり
• [学会発表] 固体表面における特異なスピン偏極電子バンド (2017)
  • 著者名/発表者名: 坂本一之
  • 学会等名: 淡路夢舞台国際会議場
  • 発表場所: 大阪大学
  • 年月日: 2017-03-29
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 新田淳、珠玖良昭、山本勇、島野拓也、阿波賀邦夫、坂本一之
  • 学会等名: 日本物理学会2016年春季大会
  • 発表場所: 大阪大学
  • 年月日: 2017-03-17
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 和気崇、岡本隆志、大門寛 、M. Muntwiler 、松井文彦、坂本一之
  • 学会等名: 日本物理学会2016年春季大会
  • 発表場所: 大阪大学
  • 年月日: 2017-03-17
• [学会発表] Non-vortical Rashba spin structure induced by the C1h symmetry of the surface (2017)
  • 著者名/発表者名: K. Sakamoto
  • 学会等名: Symposium on Surface and Nano Science 2017 (SSNS’17)
  • 発表場所: 新富良野プリンスホテル
  • 年月日: 2017-01-11
  • 国際学会
• [学会発表] Non-vortical Rashba spin structure induced by the C1h symmetry of the surface (2016)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 13th International Conference on Atomically Controlled Surfaces
  • 発表場所: Rome, Italy
  • 年月日: 2016-10-09
  • 国際学会
• [学会発表] タリウム単結晶薄膜の電子構造 (2016)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 日本物理学会2016年秋季大会
  • 発表場所: 金沢大学
  • 年月日: 2016-09-13
• [学会発表] Pb/Si(110)-(2×4)表面の電子構造 (2016)
  • 著者名/発表者名: 山崎洸、尾田裕一、日塔光一、三木一司、坂本一之
  • 学会等名: 日本物理学会2016年秋季大会
  • 発表場所: 金沢大学
  • 年月日: 2016-09-13
• [学会発表] 高品質ルブレン単結晶の電子構造 (2016)
  • 著者名/発表者名: 新田淳、E. Annese、藤井純、三輪一元、小野新平、坂本一之
  • 学会等名: 日本物理学会2016年秋季大会
  • 発表場所: 金沢大学
  • 年月日: 2016-09-13
• [学会発表] CuPc吸着In/Si(111)-(√7×√3)表面の電子構造 (2016)
  • 著者名/発表者名: 大場裕晃、新田淳、吉澤俊介、内橋隆、坂本一之
  • 学会等名: 日本物理学会2016年秋季大会
  • 発表場所: 金沢大学
  • 年月日: 2016-09-13
• [学会発表] Si(001)表面上の（擬）1次元Bi鎖の電子構造 (2016)
  • 著者名/発表者名: 尾田裕一、山崎洸、沈陽、日塔光、三木一司、坂本一之
  • 学会等名: 日本物理学会2016年秋季大会
  • 発表場所: 金沢大学
  • 年月日: 2016-09-13
• [学会発表] Electronic structure of high-quality rubrene single crystal (2016)
  • 著者名/発表者名: J. Nitta, K. Miwa, E. Annese, J. Fujii, S. Ono, and K. Sakamoto
  • 学会等名: 20th International Vacuum Congress (IVC-20)
  • 発表場所: Busan, Korea
  • 年月日: 2016-08-21
  • 国際学会
• [学会発表] Electronic structure of Tl single crystal film (2016)
  • 著者名/発表者名: M. Iwaoka, Y. Yaoita, Y. Zhang, Y. Sassa, J. Fujii, Y. Yoshida, Y. Hasegawa, and K. Sakamoto
  • 学会等名: 20th International Vacuum Congress (IVC-20)
  • 発表場所: Busan, Korea
  • 年月日: 2016-08-21
  • 国際学会
• [学会発表] C1h symmetry induced non-vortical Rashba spin structure (2016)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 39th International Conference on Vacuum Ultraviolet and X-ray Physics (VUVX2016)
  • 発表場所: Zurich, Switzerland
  • 年月日: 2016-07-03
  • 国際学会
• [学会発表] Electronic structure of Au nanoparticles (2016)
  • 著者名/発表者名: K. Sakamoto
  • 学会等名: Core-to-Core/Leverhulme Trust 4th Joing Workshop
  • 発表場所: St. Andrews, UK
  • 年月日: 2016-04-10
  • 国際学会
• [学会発表] Peculiar Electronic Structure of Heavy Element Alloy Formed on a Semiconductor Surface (2015)
  • 著者名/発表者名: Kazuyuki Sakamoto
  • 学会等名: the 15th International Conference on the Formation of Semiconductor Interfaces (ICFSI-15)
  • 発表場所: Hiroshima, Japan
  • 年月日: 2015-11-15
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Electronic structure of a heavy element alloy TlBi formed on a Si(111) surface (2015)
  • 著者名/発表者名: Hirotaka Ishikawa, Toru Hazama, Takashi Hayashida, Yuichi Oda, Yuchi Yaoita, and Kazuyuki Sakamoto
  • 学会等名: the 15th International Conference on Electron Spectroscopy and Structure (ICESS-15)
  • 発表場所: Stony Brook, New York, USA
  • 年月日: 2015-09-28
  • 国際学会
• [学会発表] Two-dimensional electronic structures of materials with strong spin-orbit coupling (2015)
  • 著者名/発表者名: Kazuyuki Sakamoto
  • 学会等名: the 28th Annual MAX IV Laboratory User Meeting (UM15)
  • 発表場所: Lund, Sweden
  • 年月日: 2015-09-21
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] "The stream and prospects of condensed matter physics in subsurface region using novel spectroscopy" - Introduction - (2015)
  • 著者名/発表者名: Kazuyuki Sakamoto
  • 学会等名: 日本物理学会2015年秋季大会
  • 発表場所: 関西大学
  • 年月日: 2015-09-16
• [学会発表] Electronic structure of TlBi alloy formed on Si(111) (2015)
  • 著者名/発表者名: Hirotaka Ishikawa, Toru Hazama, Takashi Hayashida, Yuichi Oda, Yuchi Yaoita, and Kazuyuki Sakamoto
  • 学会等名: the 31st European Conference on Surface Science (ECOSS-31)
  • 発表場所: Barcelona, Spain
  • 年月日: 2015-08-31
  • 国際学会
• [学会発表] First-principles study on the vertical spin texture of anomalous Rashba effect in Tl/Si(111) and Tl/Si(110) (2015)
  • 著者名/発表者名: Hiroto Nakano, Haruki Kato, Masao Obata, Daiki Yoshikawa, Naohiro Kitagawa, Kazuyuki Sakamoto, Tatsuki Oda
  • 学会等名: 20th International Conference on Magnetism (ICM2015)
  • 発表場所: Barcelona,Spain
  • 年月日: 2015-07-10
  • 国際学会
• [備考] 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
• [備考] 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
• [備考] 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
• [備考] 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