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トポロジカル物質の特異な電子・スピン状態と熱電物性との相関の解明

公募研究

研究領域次世代物質探索のための離散幾何学
研究課題/領域番号 18H04471
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
研究機関東北大学

研究代表者

松下 ステファン悠  東北大学, 理学研究科, 助教 (90773622)

研究期間 (年度) 2018-04-01 – 2020-03-31
研究課題ステータス 完了 (2019年度)
配分額 *注記
6,760千円 (直接経費: 5,200千円、間接経費: 1,560千円)
2019年度: 3,380千円 (直接経費: 2,600千円、間接経費: 780千円)
2018年度: 3,380千円 (直接経費: 2,600千円、間接経費: 780千円)
キーワード熱電材料 / トポロジカル絶縁体 / 異常ホール効果 / 薄膜 / 熱電変換 / 熱電物性 / エネルギー変換 / スピン
研究実績の概要

本研究は、Bi2-xSbxTe3-ySey(BSTS)結晶の薄膜に対し、その熱電物性の測定から、TI表面における電子の特異なスピン状態とその熱電物性との相関を実験的に解明することを目的としている。本年度は、前年度に引き続きBSTS薄膜の熱電物性の膜厚依存性を測定すると共に、薄膜と強磁性絶縁体CGTとのヘテロ構造(BSTS/CGT)を作製し、磁気近接効果による表面ギャップの実現に取り組んだ。
膜厚依存性では、当初計画の膜厚5 nm以下での測定は実施できなかったが、10 nm前後の膜厚で多数の試料の熱電測定を行い、試料毎のキャリア密度(n)とゼーベック係数(S)との間に、ディラック電子の線形バンドにより、S∝√nの特異な相関関係を見出した。これは通常の放物線バンドと異なる。また、以前の4nm試料の結果とも合わせたところ、表面ギャップによってこの相関が変化することも明らかにした。
強磁性体とのヘテロ構造は、当初予定の単分子磁性体膜の蒸着が技術的に困難であったために、計画を変更し、BSTSをCGTへ転写する手法を試みた。結果、BSTS/CGTにおいて、表面ギャップにより生じる異常ホール効果の観測に成功した。また、BSTSの膜厚によって磁気近接効果の強さが変調し、ギャップが膜厚20nmを境に消失することも明らかにした。熱電測定に関しては現在測定を進行中である。
研究当初予定に対し、磁性体薄膜についてはまだ課題が残っているものの、転写法によるBSTS/CGTヘテロ構造で異常ホール効果の観測に成功した意義は非常に大きい。これにより、熱電測定に適した大面積試料が得られた。更に、現在主に行われている蒸着法と違い、転写法では任意の基板を選択できるため、今後はCGT以上の絶縁性・強磁性を持つ物質を基板に用いて研究を遂行できる。これらは基礎・応用の両面で、今後のTI研究を促進するものと期待される。

現在までの達成度 (段落)

令和元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

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(2件)
  • 2019 実績報告書
  • 2018 実績報告書
  • 研究成果

    (15件)

すべて 2020 2019 2018

すべて 雑誌論文 (4件) (うち国際共著 2件、 査読あり 4件) 学会発表 (11件) (うち国際学会 5件、 招待講演 2件)

  • [雑誌論文] Quantum Hall effect of Dirac surface states of as-grown single crystal flakes in Sn0.02- Bi1.08Sb0.9Te2S without gate control2019

    • 著者名/発表者名
      Ichimura Kakeru, Matsushita Stephane Yu, Huynh Kim-Khuong, Tanigaki Katsumi
    • 雑誌名

      Appl. Phys. Lett. 115, 052104 (2019).

      巻: 115 号: 5 ページ: 052104-052104

    • DOI

      10.1063/1.5112120

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Negative and positive magnetoresistance in the itinerant antiferromagnet BaMn2Pn2 (Pn = P, As, Sb, and Bi)2019

    • 著者名/発表者名
      Huynh Kim-Khuong、Ogasawara Takuma、Kitahara Keita、Tanabe Yoichi、Matsushita Stephane Yu、Tahara Time、Kida Takanori、Hagiwara Masayuki、Arcon Denis、Tanigaki Katsumi
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 99 号: 19 ページ: 195111-1

    • DOI

      10.1103/physrevb.99.195111

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Ultrathin films of three-dimensional topological insulators by vapor-phase epitaxy: Surface dominant transport in a wide temperature range as revealed by measurements of the Seebeck2019

    • 著者名/発表者名
      Matsushita Stephane Yu, Huynh Kim-Khuong, Tanigaki Katsumi
    • 雑誌名

      Phys. Rev. B 99, 195302 (2019

      巻: 99 号: 19 ページ: 195302-195302

    • DOI

      10.1103/physrevb.99.195302

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Ultrathin film of 3D topological insulators by vapor-phase epitaxy: Surface dominant transport in wide temperature revealed by Seebeck measurement2019

    • 著者名/発表者名
      Stephane Yu Matsushita, Kim-Khuong Huynh, Katsumi Tanigaki
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 印刷中

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] 熱電係数によるSn-Bi1.1Sb0.9Te2S表面状態の散乱機構の解明2020

    • 著者名/発表者名
      松下ステファン悠, 市村翔, 永田一将, Kim-Khuong Huynh, 谷垣勝己
    • 学会等名
      日本物理学会第75回年次会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] Sn-Bi1.1Sb0.9Te2Sにおける表面ディラック電子による量子ホール効果とゼーベック係数2019

    • 著者名/発表者名
      松下ステファン悠, 市村翔, 永田一将, K.K. Huynh, 谷垣勝己
    • 学会等名
      日本物理学会 2019年秋季大会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] Bi1.5Sb0.5Te1.7Se1.3薄膜における熱電特性の膜厚依存性2019

    • 著者名/発表者名
      永田一将, 松下ステファン悠, K.K. Huynh, 谷垣勝己
    • 学会等名
      日本物理学会 2019年秋季大会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] Observation of Quantum Hall effect of Dirac surface states in bare single crystal bulk flake of Sn-Bi1.08Sb0.9Te2S with extremely large thickness2019

    • 著者名/発表者名
      S.Y. Matsushita, K. Ichimura, K. Nagata, K.-Khuong Huynh, K. Tanigaki
    • 学会等名
      New Trends in Topological Insulators 2019
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Enhanced Thermopower of Three-Dimensional Topological Insulators2019

    • 著者名/発表者名
      S.Y. Matsushita, K. Ichimura, K.-Khuong Huynh, K. Tanigaki
    • 学会等名
      2019 MRS Fall Meeting and Exhibit
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 3次元トポロジカル絶縁体Sn-BiSbTe2Sの電子輸送特性Ⅱ2019

    • 著者名/発表者名
      市村翔, 松下ステファン悠, 永田一将, 谷垣勝己
    • 学会等名
      日本物理学会第74回年次大会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] Seebeck effect in 3D topological insulator thin films2019

    • 著者名/発表者名
      Stephane Yu Matsushita, Kim-Khuong Huynh, Katsumi Tanigaki
    • 学会等名
      APS March Meeting 2019
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Quantum hall effect and thermoelectric properties of surface Dirac states in Sn-Bi1.1Sb0.9Te2S crystal2019

    • 著者名/発表者名
      Stephane Yu Matsushita, Kekeru Ichimura, Kazumasa Nagata, Kim-Khuong Huynh, Katsumi Tanigaki
    • 学会等名
      Study of matter at extreme conditions (SMEC2019)
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Bi2-xSbxTe3-ySey薄膜の熱電物性:電界効果を用いたフェルミ準位の制御とその影響2018

    • 著者名/発表者名
      松下ステファン悠, Kim-Khuong Huynh, 田邉洋一, 谷垣勝己
    • 学会等名
      日本物理学会2018年秋季大会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] 3次元トポロジカル絶縁体Sn0.02Bi1.08Sb0.9Te2Sの電子輸送特性:電気抵抗、ホール抵抗、磁気抵抗及びゼーベック係数の複合測定2018

    • 著者名/発表者名
      市村翔, 松下ステファン悠, 谷垣勝己
    • 学会等名
      日本物理学会2018年秋季大会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] Thermoelectric properties of the surface Dirac states of 3D topological insulators2018

    • 著者名/発表者名
      Stephane Yu Matsushita
    • 学会等名
      6th World Congress and Expo on Nanotechnology and Materials Science
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演

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公開日: 2018-04-23   更新日: 2021-03-11  

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