酸化物量子井戸構造に誘起される新奇な２次元電子液体とその機能

2019 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 16H02115
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 組頭 広志 東北大学, 多元物質科学研究所, 教授 (00345092)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2020-03-31
• キーワード: 量子井戸構造 / 角度分解光電子分光 / 酸化物ヘテロ構造 / 放射光 / バンド構造 / 機能性ナノ構造 / 酸化物エレクトロニクス / 酸化物薄膜

研究実績の概要

本研究では、酸化物量子井戸構造内に閉じ込められた強相関電子が示す2次元電子液体（「金属」量子化状態）の新奇な2次元電子液体の本質を明らかにし、その知見に基づいて新たな機能を開拓することを目的としている。そのために、高輝度放射光を用いて酸化物量子井戸構造内のスピン・軌道・量子化状態を可視化する「偏光可変スピン・軌道分解角度分解光電子分光（ARPES）装置」の立ち上げ調整を行い、光電子検出器の新ディフレクター機能を用いたフェルミ面マッピングを可能にするなど、ほぼ計画通りの性能を達成した。また、偏光依存（垂直、水平、右円、左円）ARPESを用いた下記の２つの研究成果を得た。

１）強相関酸化物VO2の金属-絶縁体転移（MIT）は、モット不安定性とパイエルス不安定性の協奏によって引き起こされると考えられている。この2つの自由度のMITへの寄与を調べるために、VO2量子井戸をTiO2基板上に作製し、その電子状態変化を軟X線光電子分光により、構造変化（V-Vの2量化）を軟X線吸収分光の線2色性により決定した。その結果、高温相のルチル金属相が臨界膜厚1.5nmで絶縁体相へと転移すること、それに伴って温度誘起MITが消失することを明らかにした。この結果から、薄膜極限におけるVO2は、モット不安定のみに起因した絶縁体であると結論づけた。

２）SrVO3量子井戸構造における強相関電子のコヒーレンス長を調べるために、VをTiで置換したSrTi1-xVO3を作製し、ARPESによる電子状態評価を行った。その結果、x=0.6で擬ギャップ的振る舞いが見られ、x=0.4で完全に絶縁体に転移する様子が明らかになった。この結果を踏まえて、x=0.6で井戸幅2nmの量子井戸構造を作製したところ、量子化状態は観測されなかった。このことから、x=0.6のコヒーレンス長は2nm以下であると結論づけた。

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。

研究成果

• [国際共同研究] パリ南大学/SOLEIL放射光施設(フランス)
  • 国名: フランス
  • 外国機関名: パリ南大学/SOLEIL放射光施設
• [国際共同研究] ブルツブルグ大学(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: ブルツブルグ大学
• [雑誌論文] Evolution of Electronic States and Emergence of Superconductivity in the Polar Semiconductor GeTe by Doping Valence-Skipping Indium (2020)
  • 著者名/発表者名: Kriener M、Sakano M、Kamitani M、Bahramy .M.S、Yukawa R、Horiba K、Kumigashira H、Ishizaka K、Tokura Y、Taguchi Y.
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 124 ページ: 047002[1-6]
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.047002
  • 査読あり
• [雑誌論文] Anomalous Hall effect at the spontaneously electron-doped polar surface of PdCoO2 ultrathin films (2020)
  • 著者名/発表者名: Harada T、Sugawara K、Fujiwara K、Kitamura M、Ito S.、Nojima T、Horiba K、Kumigashira H、Takahashi T、Sato T、Tsukazaki A.
  • 雑誌名: Physical Review Research 巻: 2 ページ: 013282[1-6]
  • DOI: 10.1103/PhysRevResearch.2.013282
  • 査読あり
• [雑誌論文] Low resistance at LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2 and Li3PO4 interfaces (2020)
  • 著者名/発表者名: Nishio Kazunori、Nakamura Naoto、Horiba Koji、Kitamura Miho、Kumigashira Hiroshi、Shimizu Ryota、Hitosugi Taro
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 116 ページ: 053901～053901
  • DOI: 10.1063/1.5133879
  • 査読あり
• [雑誌論文] Tunable two-dimensional electron system at the (110) surface of SnO2 (2020)
  • 著者名/発表者名: J. Dai, E. Frantzeskakis, F. Fortuna, P. Lomker, R. Yukawa, M. Thees, S. Sengupta, P. Le Fevre, F. Bertran, J. E. Rault, K. Horiba, M. Muller, H. Kumigashira, and A. F. Santander-Syro
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 101 ページ: 085121[1-10]
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.101.085121
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Thickness-induced metal to insulator transition in Ru nanosheets probed by photoemission spectroscopy: Effects of disorder and Coulomb interaction (2020)
  • 著者名/発表者名: Ootsuki Daiki、Kodera Kenjiro、Shimonaka Daiya、Arita Masashi、Namatame Hirofumi、Taniguchi Masaki、Minohara Makoto、Horiba Koji、Kumigashira Hiroshi、Ikenaga Eiji、Yasui Akira、Uchimoto Yoshiharu、Toyoda Satoshi、Morita Masahito、Fukuda Katsutoshi、Yoshida Teppei
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 10 ページ: 1514[1-7]
  • DOI: 10.1038/s41598-020-58057-9
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Electronic properties of perovskite strontium chromium oxyfluoride epitaxial thin films fabricated via low-temperature topotactic reaction (2020)
  • 著者名/発表者名: Chikamatsu Akira、Maruyama Takahiro、Katayama Tsukasa、Su Yu、Tsujimoto Yoshihiro、Yamaura Kazunari、Kitamura Miho、Horiba Koji、Kumigashira Hiroshi、Hasegawa Tetsuya
  • 雑誌名: Physical Review Materials 巻: 4 ページ: 025004[1-6]
  • DOI: 10.1103/PhysRevMaterials.4.025004
  • 査読あり
• [雑誌論文] Surface Proton Conduction of Sm-Doped CeO2-δ Thin Film Preferentially Grown on Al2O3 (0001) (2020)
  • 著者名/発表者名: Nishioka D、Tsuchiya T、Namiki W、Takayanagi M、Kawamura K、Fujita T、Yukawa R、Horiba K、Kumigashira H、Higuchi T.
  • 雑誌名: Nanoscale Research Letters 巻: 15 ページ: 42[1-8]
  • DOI: 10.1186/s11671-020-3267-5
  • 査読あり
• [雑誌論文] Relationship between charge redistribution and ferromagnetism at the heterointerface between the perovskite oxides LaNiO3 and LaMnO3 (2019)
  • 著者名/発表者名: Kitamura Miho、Kobayashi Masaki、Sakai Enju、Minohara Makoto、Yukawa Ryu、Shiga Daisuke、Amemiya Kenta、Nonaka Yosuke、Shibata Goro、Fujimori Atsushi、Fujioka Hiroshi、Horiba Koji、Kumigashira Hiroshi
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 100 ページ: 245132[1-8]
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.100.245132
  • 査読あり
• [雑誌論文] Magnetic and electronic properties of B-site-ordered double-perovskite oxide La2CrMnO6 thin films (2019)
  • 著者名/発表者名: Yoshimatsu K、Ishimaru J、Watarai K、Yamamoto K、Hirata Y、Wadati H、Takeda Y、Horiba K、Kumigashira H、Sakata O、Ohtomo A.
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 99 ページ: 235129[1-8]
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.99.235129
  • 査読あり
• [雑誌論文] Improved crystalline quality and electric conductivity in infinite-layer SrFeO2 films through Sm substitution (2019)
  • 著者名/発表者名: Katayama Tsukasa、Chikamatsu Akira、Kumigashira Hiroshi、Hasegawa Tetsuya
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 114 ページ: 232906～232906
  • DOI: 10.1063/1.5097721
  • 査読あり
• [雑誌論文] Improvement of the hole mobility of SnO epitaxial films grown by pulsed laser deposition (2019)
  • 著者名/発表者名: Minohara Makoto、Kikuchi Naoto、Yoshida Yoshiyuki、Kumigashira Hiroshi、Aiura Yoshihiro
  • 雑誌名: Journal of Materials Chemistry C 巻: 7 ページ: 6332～6336
  • DOI: 10.1039/c9tc01297d
  • 査読あり
• [雑誌論文] In-gap state generated by La-on-Sr substitutional defects within the bulk of SrTiO3 (2019)
  • 著者名/発表者名: Aiura Yoshihiro、Ozawa Kenichi、Tezuka Yasuhisa、Minohara Makoto、Samizo Akane、Bando Kyoko、Kumigashira Hiroshi、Mase Kazuhiko
  • 雑誌名: Physical Chemistry Chemical Physics 巻: 21 ページ: 14646～14653
  • DOI: 10.1039/c9cp02307k
  • 査読あり
• [雑誌論文] Surface Electron-Ion Mixed Conduction of Ti0.99Sc0.01O2-δ Thin Film with Lattice Distortion and Oxygen Vacancies (2019)
  • 著者名/発表者名: Kawamura Kinya、Sekine Masaki、Nishioka Daiki、Yukawa Ryu、Horiba Koji、Kumigashira Hiroshi、Higuchi Tohru
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 88 ページ: 054711～054711
  • DOI: 10.7566/JPSJ.88.054711
  • 査読あり
• [雑誌論文] Electronic structure of a monoatomic Cu2Si layer on a Si(111) substrate (2019)
  • 著者名/発表者名: Cameau M、Yukawa R、Chen C.-H、Huang A、Ito S、Ishibiki R、Horiba K、Obata Y、Kondo T、Kumigashira H、Jeng H.-T、D'angelo M、Matsuda I.
  • 雑誌名: Physical Review Materials 巻: 3 ページ: 044004[1-5]
  • DOI: 10.1103/PhysRevMaterials.3.044004
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Natural van der Waals heterostructural single crystals with both magnetic and topological properties (2019)
  • 著者名/発表者名: Wu Jiazhen、Liu Fucai、Sasase Masato、Ienaga Koichiro、Obata Yukiko、Yukawa Ryu、Horiba Koji、Kumigashira Hiroshi、Okuma Satoshi、Inoshita Takeshi、Hosono Hideo
  • 雑誌名: Science Advances 巻: 5 ページ: 9989～9989
  • DOI: 10.1126/sciadv.aax9989
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Evidence for bulk nodal loops and universality of Dirac-node arc surface states in ZrGeXc (Xc=S, Se, Te) (2019)
  • 著者名/発表者名: Nakamura Takechika、Souma Seigo、Wang Zhiwei、Yamauchi Kunihiko、Takane Daichi、Oinuma Hikaru、Nakayama Kosuke、Horiba Koji、Kumigashira Hiroshi、Oguchi Tamio、Takahashi Takashi、Ando Yoichi、Sato Takafumi
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 99 ページ: 245105[1-11]
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.99.245105
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Unusual change in the Dirac-cone energy band upon a two-step magnetic transition in CeBi (2019)
  • 著者名/発表者名: Oinuma Hikaru、Souma Seigo、Nakayama Kosuke、Horiba Koji、Kumigashira Hiroshi、Yoshida Makoto、Ochiai Akira、Takahashi Takashi、Sato Takafumi
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 100 ページ: 125122[1-7]
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.100.125122
  • 査読あり
• [雑誌論文] Temperature-dependent evolution of Ti 3d spectral features at surface of BaxTi8O16+δ (2019)
  • 著者名/発表者名: Dash S、Enomoto H、Kajita T、Ono K、Horiba K、Kobayashi M、Kumigashira H、Kandyba V、Giampietri A、Barinov A、Stramaglia F、Saini N. L、Katsufuji T、Mizokawa T.
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 100 ページ: 125153[1-6]
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.100.125153
  • 査読あり
• [雑誌論文] Valence-bond insulator in proximity to excitonic instability (2019)
  • 著者名/発表者名: Chiba Y、Mitsuoka T、Saini N. L、Horiba K、Kobayashi M、Ono K、Kumigashira H、Katayama N、Sawa H、Nohara M、Lu Y. F、Takagi H、Mizokawa T.
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 100 ページ: 245129[1-5]
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.100.245129
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Coulomb-interaction effect on the two-dimensional electronic structure of the van der Waals ferromagnet Cr2Ge2Te6 (2019)
  • 著者名/発表者名: Suzuki M、Gao B、Koshiishi K、Nakata S、Hagiwara K、Lin C、Wan Y. X、Kumigashira H、Ono K、Kang Sungmo、Kang Seungjin、Yu J、Kobayashi M、Cheong S.-W、Fujimori A.
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 99 ページ: 161401(R) [1-4]
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.99.161401
  • 査読あり
• [学会発表] Relationship between charge redistribution and ferromagnetism at the heterointerface between LaNiO3 and LaMnO3 (2020)
  • 著者名/発表者名: M. Kitamura, M. Kobayashi, E. Sakai, M. Minohara, R. Yukawa, D. Shiga, K. Amemiya, Y. Nonaka, G. Shibata, A. Fujimori, H. Fujioka, K. Horiba, and H. Kumigashira
  • 学会等名: The 3rd Symposium for The Core Research Clusters for Materials Science and Spintronics
  • 国際学会
• [学会発表] Emergenc of Metallic Monoclinic States of Electron-Doped VO2 Films (2020)
  • 著者名/発表者名: D. Shiga, M. Minohara, M. Kitamura, R. Yukawa, K. Horiba, and H. Kumigashira
  • 学会等名: The 3rd Symposium for The Core Research Clusters for Materials Science and Spintronics
  • 国際学会
• [学会発表] VO2/TiO2(001)極薄膜における電子状態の膜厚依存性 (2020)
  • 著者名/発表者名: 志賀大亮、楊以理、長谷川直人、神田龍彦、徳永凌祐、北村未歩、湯川龍、吉松公平、堀場弘司，組頭広志
  • 学会等名: 第67回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] パルスレーザ堆積法によるTi2O3エピタキシャル薄膜作製条件の最適化 (2020)
  • 著者名/発表者名: 長谷川 直人、志賀 大亮、吉松 公平、組頭 広志
  • 学会等名: 第67回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] 放射光電子分光によるSrTi1-xVxO3薄膜の電子状態解析 (2020)
  • 著者名/発表者名: 神田 龍彦、志賀 大亮、湯川 龍、長谷川 直人、徳永 凌佑、保井 晃、高木 康多、北村 未歩、堀場 弘司、吉松 公平、組頭 広志
  • 学会等名: 第67回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] WO3単結晶薄膜の合成とLiイオン電気化学反応 (2020)
  • 著者名/発表者名: 徳永 凌祐、吉松 公平、組頭 広志
  • 学会等名: 第67回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] ペロブスカイト酸化物へテロ界面における電荷移動の発現機構 (2020)
  • 著者名/発表者名: 北村未歩, 小林正起, 簔原誠人, 坂井延寿, 湯川龍, 藤岡洋, 堀場弘司, 組頭広志
  • 学会等名: 日本物理学会 第75回年次大会
• [学会発表] Mechanism of charge transfer phenomena in perovskite-oxide interfaces (2019)
  • 著者名/発表者名: Miho Kitamura, Masaki Kobayashi, Makoto Minohara, Enju Sakai,Hiroshi Fujioka, Koji Horiba, and Hiroshi Kumigashira
  • 学会等名: The 40th International Conference on Vacuum Ultraviolet and X-ray Physics
  • 国際学会
• [学会発表] Emergence of Metallic Monoclinic States of VO2 Films Induced by K Deposition (2019)
  • 著者名/発表者名: Daisuke Shiga, Makoto Minohara, Miho Kitamura, Ryu Yukawa, Koji Horiba, Hiroshi Kumigashira
  • 学会等名: The 40th International Conference on Vacuum Ultraviolet and X-ray Physics
  • 国際学会
• [学会発表] Transmission soft x-ray absorption spectroscopy on Li-ion-battery materials (2019)
  • 著者名/発表者名: Koji Horiba, Miho Kitamura, Kazunori Nishio, Ryota Shimizu, Taro Hitosugi, and Hiroshi Kumigashira
  • 学会等名: The 40th International Conference on Vacuum Ultraviolet and X-ray Physics
  • 国際学会
• [学会発表] Emergence of metallic monoclinic states of VO2 films induced by K deposition (2019)
  • 著者名/発表者名: Daisuke Shiga, Makoto Minohara, Miho Kitamura, Ryu Yukawa, Koji Horiba, Hiroshi Kumigashira
  • 学会等名: 26th International Workshop on Oxide Electronics
  • 国際学会
• [学会発表] Transmission soft X-ray absorption spectroscopy on transition metal oxide thin films for Li-ion battery (2019)
  • 著者名/発表者名: Koji Horiba, Miho Kitamura, Kazunori Nishio, Ryota Shimizu, Taro Hitosugi, and Hiroshi Kumigashira
  • 学会等名: 26th International Workshop on Oxide Electronics
  • 国際学会
• [学会発表] Mechanism of charge transfer phenomena in perovskite-oxide interfaces (2019)
  • 著者名/発表者名: Miho Kitamura, Masaki Kobayashi, Makoto Minohara, Enju Sakai, Ryu Yukawa, Hiroshi Fujioka, Koji Horiba, and Hiroshi Kumigashira
  • 学会等名: 26th International Workshop on Oxide Electronics
  • 国際学会
• [学会発表] Control of two-dimensional electron liquid states at anatase-TiO2 (001) surface by H- adsorption (2019)
  • 著者名/発表者名: Ryu Yukawa, Makoto Minohara, Daisuke Shiga, Miho Kitamura, Taichi Mitsuhashi, Masaki Kobayashi, Koji Horiba, Hiroshi Kumigashira
  • 学会等名: 26th International Workshop on Oxide Electronics
  • 国際学会
• [学会発表] Fermi surface in the three-dimensional Dirac fermion system Ca3Pb1-xBixO (2019)
  • 著者名/発表者名: Yukiko Obata, Ryu Yukawa, Koji Horiba, Hiroshi Kumigashira, Yoshimitsu Kohama, yoshitake toda, Satoru Matsuishi, Hideo Hosono
  • 学会等名: 26th International Workshop on Oxide Electronics
  • 国際学会
• [学会発表] Transmission Soft X-Ray Absorption Spectroscopy on Thin Films for Li-Ion Battery (2019)
  • 著者名/発表者名: Koji Horiba, Miho Kitamura, Kazunori Nishio, Ryota Shimizu, Taro Hitosugi, and Hiroshi Kumigashira
  • 学会等名: Materials Research Meeting 2019
  • 国際学会
• [図書] 「放射光を用いた薄膜の電子状態評価」:「薄膜作製応用ハンドブック」（權田 俊一監修）第3編 薄膜・表面・界面の分析・評価、第一章 薄膜・表面・界面の分析評価法、第六節 pp. 761ー770 (2020)
  • 著者名/発表者名: 組頭広志
  • 総ページ数: 1570
  • 出版者: （株）エヌ・ティー・エス
• [図書] 「酸化物ナノ構造の界面をみてその新奇物性を開拓する」:「放射光利用の手引き」、東北放射光施設推進会議推進室編集、第四部未来材料の開発・物質の新機能開拓への応用、pp. 196ー206 (2019)
  • 著者名/発表者名: 組頭広志
  • 総ページ数: 344
  • 出版者: （株）アグネ技術センター
• [備考] 東北大学多元物質科学研究所組頭研究室
  • URL: http://www2.tagen.tohoku.ac.jp/lab/kumigashira/html/