| 研究課題/領域番号 |
18H01821
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| 研究機関 | 東北大学 |
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研究代表者 |
菅原 克明 東北大学, 理学研究科, 准教授 (70547306)
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| 研究期間 (年度) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| キーワード | スピン分解ARPES / 2次元トポロジカル絶縁体 |
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| 研究実績の概要 |
強い内因性スピン軌道相互作用を持つ原子層材料で実現する２次元トポロジカル絶縁体(2DTI)を実現することを目的として、本研究では、機械学習法で成長材料ごとに選定した半導体基板上に、2DTI物質群とV族半金属単原子層ビスマセン・アンチモセンを分子線エピタキシー法によって作製し、それらの電子状態をスピン分解角度分解光電子分光によって解明することを行う。
本年度は初年度のため、2DTI原子層物質作製に向けた研究環境構築を主に行った。まず様々な2DTI原子層を作製するためのMBE装置と半導体基板水素加熱処理装置を建設した。MBE装置に関しては、既存の真空チャンバを用いて様々なMBE用真空コンポーネントの作製を行った。具体的には、薄膜試料の清浄化を行うための加熱装置、2DTI候補物質作製のためのSi・Ge・Sn・Bi・Sb用蒸着源の製作、および2DTIへの電子キャリアドーピングを行うためのアルカリ金属ディスペンサーを装着した蒸着源の製作も行なった。一方の半導体基板水素加熱処理装置に関しては、半導体加熱装置を設計・建設するとともに水素発生装置が連結した水素ガス制御システムを構築することで、水素ガス中で半導体基板表面の水素加熱処理を可能にした。以上の2DTIの作製を行うための装置建設を行うことで、前述した2DTI候補物質ビスマセン・アンチモセンの成長環境を整備することができたため、来年度は2DTIの作製を進める。さらに、成長基板選定を目指した機械学習に関しては、新たなデスクトップPCを購入し、PCにはプログラミング言語の一つPythonと一般公開されている第一原理計算プログラムQuantum Espressoを導入した。現在、2DTI用成長基板プログラムの構築を進めている。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
初年度予定していた、MBE装置および半導体基板水素加熱処理装置の建設が順調に行うことができ、これらを用いることで、非常に高品質は半導体表面を得ることに成功した。具体的には、半導体基板水素加熱処理装置を持ちて、水素暴露量を調整しながら半導体SiC基板を加熱することで、原子レベルで平坦かつ大面積のテラスをもつ表面を得ることに成功している。また、MBE装置を用いることで、PbやBiなどの高品質な薄膜で特徴的な量子井戸準位の観測に成功している。
以上から、進捗状況はおおむね順調に進んでいると個人的に判断した。
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| 今後の研究の推進方策 |
初年度は順調に研究計画を進めることができたため、２年度目は当初から予定していた研究を進める予定である。具体的には以下の２項目の研究を推進する。
・IV族単原子層シリセン・ゲルマネン・スタネンの作製と電子状態解明
2DTI候補物質シリセン・ゲルマネン・スタネンの電子状態、特に2DTIで実現すると期待されるバンドギャップ内準位のヘリカルエッジ状態の形成を明らかにする目的で、水素処理したSiおよびSiC上に、超高真空中でSi・Ge・Snを蒸着することで、シリセン・ゲルマネン・スタネン原子層の作製を行う。得られた原子層薄膜のスピン分解ARPESを行い、ヘリカルエッジ状態をスピン分解ARPES実験により明らかにする。
・水素終端SiC上のV族単原子層ビスマセン・アンチモセンの電子状態解明
水素終端SiC基板上の蜂の巣格子状に組んだBiおよびSb単原子層ビスマセンおよびアンチモセンの2DTIの可能性を明らかにする目的で、ビスマセンおよびアンチモセンのスピン分解ARPESを行う。ビスマセンおよびアンチモセンはスピン分解ARPES に連結された半導体基板水素加熱処理装置を用いて、SiC基板を水素ガス中で加熱することによって水素終端する。その後、MBE装置で水素終端SiC基板上にBiおよびSbを蒸着することで、ビスマセンおよびアンチモセンの作製を行う。作製した試料のスピン分解ARPESを行い、価電子帯におけるスピン偏極電子状態および価電子帯と伝導帯のバンドギャップ間をつなぐヘリカルスピンエッジ状態の直接観測を行うことで、2DTIにおける量子スピンホール相の可能性を明らかにする。
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