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2015 年度 実績報告書

スピン分解ARPESによる機能性薄膜ハイブリッドの創出

研究課題

研究課題/領域番号 15H02105
研究機関東北大学

研究代表者

高橋 隆  東北大学, 原子分子材料科学高等研究機構, 教授 (00142919)

研究分担者 佐藤 宇史  東北大学, 理学(系)研究科(研究院), 准教授 (10361065)
相馬 清吾  東北大学, 原子分子材料科学高等研究機構, 准教授 (20431489)
中山 耕輔  東北大学, 高度教養教育・学生支援機構, 助教 (40583547)
菅原 克明  東北大学, 原子分子材料科学高等研究機構, 助教 (70547306)
福谷 圭祐  東北大学, 高度教養教育・学生支援機構, 助教 (10706021)
研究期間 (年度) 2015-04-01 – 2018-03-31
キーワード物性実験 / 光電子分光 / トポロジカル絶縁体 / グラフェン / 高温超伝導
研究実績の概要

計画初年度である27年度は、多様な量子物質相の創発を目的とした薄膜ハイブリッドの研究を推進するための基盤設備として、スピン分解高分解能光電子分光装置の改良と、各種高機能物質の薄膜MBE装置の高度化、薄膜試料を評価するための装置の整備、それらを用いた単相物質のMBE成長と、その高分解能ARPES、また薄膜ハイブリッドの予備的な実験を行った。具体的には、現行のスピン分解光電子分光装置において光電子イメージの取得速度を向上させるため、電子検出システムのCCDカメラとネットワーク及び電子レンズシステムの改良などを行い、エネルギー・角度分解能の向上に成功した。薄膜ハイブリッドの母材料の高品質化のため、「 グラフェン作成槽」「超伝導薄膜MBE槽」「トポロジカル絶縁体薄膜MBE槽」「ラシュバ・強磁性金属蒸着槽」の4つの薄膜作成槽において、各種試料の成長基板に適した加熱を行う通電加熱機構とスパッタ・アニール機構を製作・設置、分子線ビームの質を向上させる各元素専用の蒸着源の製作し、膜厚計の設置・調整を行った。これらの装置を用い、トポロジカル絶縁体薄膜、原子層遷移金属ダイカルコゲナイド、単層および多層のグラフェンと関連物質、原子層鉄系高温超伝導薄膜などの作成を行い、その高分解能ARPES実験を行った。その結果、原子層FeSe薄膜や、二層グラフェン層間化合物C6CaC6における超伝導の発現や、単層1T-T2Se2におけるCDW転移の観測に成功した。また、鉄とタングステンの接合界面にディラック電子を発生させ、そのディラック電子に巨大な質量を与えることに成功した。さらに、新たな量子物質相の探索として、多重ヘテロ構造超伝導物質Cux(PbSe)5(Bi2Se3)6における2次元フェルミ面の観測、新型ワイル半金属NbPのフェルミアークの観測に成功した。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

27年度計画では、本格的な薄膜ハイブリッドの電子構造研究を見据え、その基盤実験装置の整備・改良と、薄膜作成技術の高度化が主たる研究内容であり、それらは順調に進んできたといえる。その中で、薄膜を極限にまで薄くした系、すなわち原子層超薄膜において特筆すべき成果が二つ得られた。一つは、原子層FeSe超薄膜における超伝導ギャップの観測である。2008年に発見されたた鉄系高温超伝導体は、バルク結晶において最高で55 K程度の超伝導転移温度が報告されているが、原子層超薄膜においてはそのTcを凌駕する可能性が指摘されてきた。本研究では、単層FeSe超薄膜の作成に成功し、60 Kを超える高温超伝導を検証することに成功した。さらに、これまで超伝導が報告されてこなかった多層FeSe超薄膜においても、アルカリ金属を蒸着して母物質のフェルミオロジーを制御することで、多層において世界で初めて超伝導を発現させることに成功した。これらの成果により鉄系超伝導体を利用したナノ超伝導デバイスの素子開発が急速に進展すると期待される。
もう一つの特筆すべき成果は、グラフェンの超伝導化である。シリコンカーバイド(SiC)上に高品質の2層グラフェンを作製し、グラフェンの層間にカルシウム原子を規則的に挿入することで、二層グラフェン層間化合物C6CaC6の原子層超薄膜の作製を行った。原子層超薄膜の本来の伝導特性を観測するために、マイクロ4端子法によりC6CaC6試料の低温における電気伝導度を測定したところ、この超薄膜物質が超伝導転移温度Tc=4 K(onset)の新型超伝導体であることを見出した。。本成果は、米国電気電子学会(IEEE)やアメリカ物理学協会(AIP)でトップニュースとして取り上げられ、国内外から大きな反響があった。これらの研究成果に基づき、平成27年度は予想以上の成果が得られたと判断した。

今後の研究の推進方策

二次元薄膜の電子状態について、スピンまで分解した精密な電子構造解析を行うために、現行の超高分解能3次元スピン分解光電子分光装置のターゲット散乱チャンバーを改造する。鉄の蒸着源、酸素導入機構、および超高真空排気系を改良し、高いシャーマン関数が長期的に得られる薄膜ターゲットの条件と、その際の低速電子回折レンズパラメータの最適値を絞り込む。ブリルアンゾーン全体を網羅した測定を行うために、試料先端部に二軸回転(仰角とアジマス角)の自由度を備えた多軸回転試料マニピュレータの設計・製作を行う。そのほかに、物質の表面だけでなく、ヘテロ界面電子状態の測定を目的として、He, Ar, Kr, Xeなどの各種希ガスの共鳴線を切り替えられる光源系を整備し、プローブ深さを変えたARPES測定により界面電子状態の評価を行う。
建設した装置を用いて、薄膜ハイブリッドの母材料となる、トポロジカル絶縁体、ラシュバ・強磁性金属、高温超伝導体、およびグラフェンの高品質薄膜を作成し、スピン分解ARPESにより、その基盤電子状態を決定する。さらに、それらの薄膜ハイブリッドを作成し、接合領域における電子構造を決定する。その際に、バンド計算を用いて、新奇量子現象の発現に適した薄膜ハイブリッド構造のデザインを行う。具体的には、超伝導グラフェンの超伝導機構の解明、重金属Bi薄膜を中心とした巨大なラシュバ分裂物質と2次元トポロジカル超薄膜の探索、FeSeを中心とする二元鉄系超伝導薄膜の超伝導転移温度の更なる向上、トポロジカル多重へテロ構造における量子サイズ効果による電子構造の制御と、新奇トポロジカル現象の探索、磁性トポロジカル絶縁体薄膜の作成と異常量子ホール相の研究、トポロジカル絶縁体と強磁性体の薄膜ハイブリッドによる強磁性ワイル半金属相の探索、などの研究を進めていく予定である。

  • 研究成果

    (41件)

すべて 2016 2015 その他

すべて 雑誌論文 (8件) (うち国際共著 1件、 査読あり 8件、 謝辞記載あり 8件) 学会発表 (29件) (うち国際学会 11件、 招待講演 12件) 備考 (4件)

  • [雑誌論文] Bulk superconducting gap of V3Si studied by low-energy ultrahigh-resolution photoemission spectroscopy2016

    • 著者名/発表者名
      T. Sato, S. Souma, K. Nakayama, K. Sugawara, N. Toyota, and T. Takahashi
    • 雑誌名

      J. Electron Spectroscopy and Related Phenomena

      巻: 208 ページ: 40-42

    • DOI

      10.1016/j.elspec.2015.04.009

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Unconventional Charge-Density-Wave Transition in Monolayer 1T-TiSe22016

    • 著者名/発表者名
      K. Sugawara, Y. Nakata, R. Shimizu, P. Han, T. Hitosugi, T. Sato, and T. Takahashi
    • 雑誌名

      ACS Nano

      巻: 10 ページ: 1341-1345

    • DOI

      10.1021/acsnano.5b06727

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Superconducting Calcium-Intercalated Bilayer Graphene2016

    • 著者名/発表者名
      S. Ichinokura, K. Sugawara, A. Takayama, T. Takahashi, and S. Hasegawa
    • 雑誌名

      ACS Nano

      巻: 10 ページ: 2761-2765

    • DOI

      10.1021/acsnano.5b07848

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] High-temperature superconductivity in potassium-coated multilayer FeSe thin films2015

    • 著者名/発表者名
      Y. Miyata, K. Nakayama, K. Sugawara, T. Sato, and T. Takahashi
    • 雑誌名

      Nature Materials

      巻: 14 ページ: 775-779

    • DOI

      10.1038/nmat4302

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] High-Resolution Angle-Resolved Photoemission Study of Quasi-One-Dimensional Semiconductor In4Se32015

    • 著者名/発表者名
      K. Fukutani, Y. Miyata, I. Matsuzaki, P. V. Galiy, P. A. Dowen, T. Sato, and T. Takahashi
    • 雑誌名

      J. Phys. Soc. Jpn.

      巻: 84 ページ: 074710-1-6

    • DOI

      10.7566/JPSJ.84.074710

    • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Spin- and valley- coupled electronic states in monolayer WSe2 on bilayer graphene2015

    • 著者名/発表者名
      K. Sugawara, T. Sato, Y. Tanaka, S. Souma, and T. Takahashi
    • 雑誌名

      Applied Physics Letters

      巻: 107 ページ: 071601-1-4

    • DOI

      10.1063/1.4928658

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Observation of two-dimensional bulk electronic states in superconducting topological insulator heterostructure Cux(PbSe)5(Bi2Se3)6: implications for unconventional superconductivity2015

    • 著者名/発表者名
      K. Nakayama, H. Kimizuka, Y. Tanaka, T. Sato, S. Souma, T. Takahashi, S. Sasaki, K. Segawa, and Y. Ando
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 92 ページ: 100508(R )-1-5

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.92.100508

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Switching of Dirac-fermion mass at the interface of ultrathin ferromagnet and Rashba metal2015

    • 著者名/発表者名
      H. Honma, T. Sato, S. Souma, K. Sugawara, Y. Tanaka, and T. Takahashi
    • 雑誌名

      Physical Review Letters

      巻: 115 ページ: 266401-1-5

    • DOI

      10.1103/PhysRevLett.115.266401

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [学会発表] 高分解能 ARPES による遷移金属ダイカルコゲナイド 1T-TaS2上の Bi 超薄膜の電子構造2016

    • 著者名/発表者名
      山田敬子
    • 学会等名
      日本物理学会 第71回年次大会
    • 発表場所
      東北学院大学 (宮城県・仙台市)
    • 年月日
      2016-03-19 – 2016-03-22
  • [学会発表] ワイル半金属候補物質NbPの表面フェルミアーク:高分解能ARPES2016

    • 著者名/発表者名
      相馬清吾
    • 学会等名
      日本物理学会 第71回年次大会
    • 発表場所
      東北学院大学 (宮城県・仙台市)
    • 年月日
      2016-03-19 – 2016-03-22
  • [学会発表] FeSeにおける電子ドーピング効果:高分解能ARPES2016

    • 著者名/発表者名
      金山将大
    • 学会等名
      日本物理学会 第71回年次大会
    • 発表場所
      東北学院大学 (宮城県・仙台市)
    • 年月日
      2016-03-19 – 2016-03-22
  • [学会発表] NbSe2薄膜における電子状態の膜厚依存性:高分解能ARPES2016

    • 著者名/発表者名
      中田優樹
    • 学会等名
      日本物理学会 第71回年次大会
    • 発表場所
      東北学院大学 (宮城県・仙台市)
    • 年月日
      2016-03-19 – 2016-03-22
  • [学会発表] FeSe原子層薄膜における高温超伝導2016

    • 著者名/発表者名
      中山耕輔
    • 学会等名
      日本物理学会 第71回年次大会
    • 発表場所
      東北学院大学 (宮城県・仙台市)
    • 年月日
      2016-03-19 – 2016-03-22
    • 招待講演
  • [学会発表] 角度分解光電子分光による鉄系高温超伝導体の研究2016

    • 著者名/発表者名
      中山耕輔
    • 学会等名
      日本物理学会 第71回年次大会
    • 発表場所
      東北学院大学 (宮城県・仙台市)
    • 年月日
      2016-03-19 – 2016-03-22
    • 招待講演
  • [学会発表] 3層グラフェン/H-SiCにおける電子状態の積層構造依存性:高分解能ARPES2016

    • 著者名/発表者名
      山村典史
    • 学会等名
      日本物理学会 第71回年次大会
    • 発表場所
      東北学院大学 (宮城県・仙台市)
    • 年月日
      2016-03-19 – 2016-03-22
  • [学会発表] Electronic phase diagram of atomically thin FeSe films on SrTiO32016

    • 著者名/発表者名
      Kosuke Nakayama
    • 学会等名
      International Workshop on Superconductivity and Related Functional Materials 2016
    • 発表場所
      Tohoku Univ. (Sendai, Miyagi)
    • 年月日
      2016-03-17 – 2016-03-17
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] High-Tc superconductivity in potassium-coated FeSe thin films2016

    • 著者名/発表者名
      Kosuke Nakayama
    • 学会等名
      Mini-workshop on oxides and related materials
    • 発表場所
      Tohoku Univ. (Sendai, Miyagi)
    • 年月日
      2016-02-25 – 2016-02-25
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] High-Tc superconductivity in multilayer FeSe films seen via high-resolution ARPES2015

    • 著者名/発表者名
      Kosuke Nakayama
    • 学会等名
      CEMS Topical Meeting on Emergent 2D Materials
    • 発表場所
      RIKEN (Wako, Saitama)
    • 年月日
      2015-12-11 – 2015-12-12
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Fe/W(110)界面におけるディラックコーン電子状態の 磁気的近接効果:高分解能ARPES2015

    • 著者名/発表者名
      相馬清吾
    • 学会等名
      第20回スピンに関連した物理とデバイスに関する国内会議
    • 発表場所
      東北大学 (宮城県・仙台市)
    • 年月日
      2015-12-03 – 2015-12-04
    • 招待講演
  • [学会発表] 光電子分光で見る新奇トポロジカル物質の電子状態2015

    • 著者名/発表者名
      佐藤宇史
    • 学会等名
      第9回物性科学領域横断研究会
    • 発表場所
      東京大学 (東京都・文京区)
    • 年月日
      2015-11-13 – 2015-11-15
    • 招待講演
  • [学会発表] ワイル半金属候補物質の高分解能ARPES2015

    • 著者名/発表者名
      相馬清吾
    • 学会等名
      第5回新学術領域トポロジー集中連携研究会
    • 発表場所
      東北大学 (宮城県・仙台市)
    • 年月日
      2015-11-06 – 2015-11-07
    • 招待講演
  • [学会発表] 鉄系超伝導体におけるディラック電子2015

    • 著者名/発表者名
      中山耕輔
    • 学会等名
      第5回新学術領域トポロジー集中連携研究会
    • 発表場所
      東北大学 (宮城県・仙台市)
    • 年月日
      2015-11-06 – 2015-11-07
    • 招待講演
  • [学会発表] Direct observation of spin in materials by photoemission spectroscopy2015

    • 著者名/発表者名
      Seigo Souma
    • 学会等名
      12th JGFoS symposium
    • 発表場所
      Kyoto Brighton Hotel (Kyoto)
    • 年月日
      2015-10-01 – 2015-10-04
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] トポロジカル超伝導体候補物質Cux(PbSe)5(Bi2Se3)6の高分解能ARPES2015

    • 著者名/発表者名
      中山耕輔
    • 学会等名
      日本物理学会 2015年秋季大会
    • 発表場所
      関西大学 (大阪府吹田市)
    • 年月日
      2015-09-16 – 2015-09-19
  • [学会発表] Fe/W(110)界面におけるディラック電子の質量制御:高分解能ARPES2015

    • 著者名/発表者名
      佐藤宇史
    • 学会等名
      日本物理学会 2015年秋季大会
    • 発表場所
      関西大学 (大阪府吹田市)
    • 年月日
      2015-09-16 – 2015-09-19
  • [学会発表] WSe2薄膜の高分解能ARPES2015

    • 著者名/発表者名
      菅原克明
    • 学会等名
      日本物理学会 2015年秋季大会
    • 発表場所
      関西大学 (大阪府吹田市)
    • 年月日
      2015-09-16 – 2015-09-19
  • [学会発表] NbSe2薄膜の高分解能ARPES2015

    • 著者名/発表者名
      中田優樹
    • 学会等名
      日本物理学会 2015年秋季大会
    • 発表場所
      関西大学 (大阪府吹田市)
    • 年月日
      2015-09-16 – 2015-09-19
  • [学会発表] SiC上単層グラフェンの水素吸着効果:高分解能ARPES2015

    • 著者名/発表者名
      鈴木克郷
    • 学会等名
      日本物理学会 2015年秋季大会
    • 発表場所
      関西大学 (大阪府吹田市)
    • 年月日
      2015-09-16 – 2015-09-19
  • [学会発表] Bi2Se3薄膜の電子状態の膜厚依存性:高分解能ARPES2015

    • 著者名/発表者名
      君塚平太
    • 学会等名
      日本物理学会 2015年秋季大会
    • 発表場所
      関西大学 (大阪府吹田市)
    • 年月日
      2015-09-16 – 2015-09-19
  • [学会発表] Fe(110)薄膜の表面電子バンド構造における酸素吸着効果:高分解能ARPES2015

    • 著者名/発表者名
      相馬清吾
    • 学会等名
      日本物理学会 2015年秋季大会
    • 発表場所
      関西大学 (大阪府吹田市)
    • 年月日
      2015-09-16 – 2015-09-19
  • [学会発表] High-temperature superconductivity in atomically thin multilayer FeSe films on SrTiO32015

    • 著者名/発表者名
      Kosuke Nakayama
    • 学会等名
      International Conference on Materials and Mechanisms of Superconductivity 2015
    • 発表場所
      Geneva (Swiss)
    • 年月日
      2015-08-23 – 2015-08-28
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] High-resolution ARPES study of strain effects on the electronic structure of FeSe2015

    • 著者名/発表者名
      G. N. Phan
    • 学会等名
      International Conference on Materials and Mechanisms of Superconductivity 2015
    • 発表場所
      Geneva (Swiss)
    • 年月日
      2015-08-23 – 2015-08-28
    • 国際学会
  • [学会発表] Non-trivial surface states in topological-insulator hetero-structures studied by angle-resolved photoemission spectroscopy2015

    • 著者名/発表者名
      Heita Kimizuka
    • 学会等名
      21st International Conference on Electronic Properties of Two-Dimensional Systems
    • 発表場所
      仙台国際センター (宮城県・仙台市)
    • 年月日
      2015-07-26 – 2015-07-31
    • 国際学会
  • [学会発表] Evolution of electronic states near the topological phase transition studied by ARPES2015

    • 著者名/発表者名
      C. Trang
    • 学会等名
      21st International Conference on Electronic Properties of Two-Dimensional Systems
    • 発表場所
      仙台国際センター (宮城県・仙台市)
    • 年月日
      2015-07-26 – 2015-07-31
    • 国際学会
  • [学会発表] Electronic structure of hydrogen adsorbed monolayer graphene on SiC studied by ARPES2015

    • 著者名/発表者名
      Katsuaki Suzuki
    • 学会等名
      21st International Conference on Electronic Properties of Two-Dimensional Systems
    • 発表場所
      仙台国際センター (宮城県・仙台市)
    • 年月日
      2015-07-26 – 2015-07-31
    • 国際学会
  • [学会発表] Electronic structure of FeSe thin film fabricated on CaF2 substrate studied by high-resolution ARPES2015

    • 著者名/発表者名
      G. N. Phan
    • 学会等名
      21st International Conference on Electronic Properties of Two-Dimensional Systems
    • 発表場所
      仙台国際センター (宮城県・仙台市)
    • 年月日
      2015-07-26 – 2015-07-31
    • 国際学会
  • [学会発表] Topological Insulators Studied by Spin-Resolved ARPES2015

    • 著者名/発表者名
      Takashi Takahashi
    • 学会等名
      ICMAT2015 & IUMRS-ICA2015
    • 発表場所
      Singapore (Singapore)
    • 年月日
      2015-06-28 – 2015-07-03
    • 国際学会 / 招待講演
  • [備考] 2015年プレスリリース 「原子層高温超伝導体を開発 -究極の超伝導ナノデバイス実現へ道-」

    • URL

      http://www.tohoku.ac.jp/japanese/2015/06/press20150527-01.html

  • [備考] 2015年プレスリリース 「電子・正孔対が作る原子層半導体の作製に成功」

    • URL

      http://www.tohoku.ac.jp/japanese/2015/12/press20151211-02.html

  • [備考] 2015年プレスリリース 「スピン操作による相対論的電子の質量制御に成功」

    • URL

      http://www.tohoku.ac.jp/japanese/2015/12/press-20151224-02.html

  • [備考] 2016年プレスリリース 「グラフェンの超伝導化に成功」

    • URL

      http://www.tohoku.ac.jp/japanese/2016/02/press20160204-01.html

URL: 

公開日: 2017-01-06  

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