新奇２次元トポロジカル絶縁体物質の実現とスピン分解ARPESによる電子状態解析

2020 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 18H01821
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 菅原 克明 東北大学, 理学研究科, 准教授 (70547306)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2021-03-31
• キーワード: スピン分解ARPES / 2次元トポロジカル絶縁体

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。
３年度目となる本年度は、これまで整備した半導体基板水素加熱処理装置を用いて作成された水素終端SiC基板表面へのビスマス単原子層(ビスマセン)の作製を重点的に行った。研究を進める上で水素処理のみならずその前処理である化学エッチングを行うことが更なる基板表面の平坦化および水素終端化が必須であることが判明したため、急遽化学エッチング後にSiC基板表面を水素ガス処理を行った。その後前年度に改良した改良したMBE装置を用いてビスマス原子を蒸着しながら水素原子をSiC表面から脱離させることで、ビスマセンの成長を示唆するroot3xroot3R30°超構造をLEED装置を用いて観測することに成功した。さらにARPES実験を行うことで、明瞭なバンド構造を観測する一方、バンドギャップが開いたディラック電子状態の形成は観測されなかった。現在もまた本研究を継続し、ビスマセンの形成の有無を多角的に検討することを予定している。
また、当初予定にはなかったトポロジカル絶縁体Bi2Se3のディラック電子状態の制御に関する研究も新たに整備したMBE装置を用いて進めてた。具体的には、MBE装置によってトポロジカル絶縁体Bi2Se3上に類似物質であるBi2Te3を数層ごと成長させることで表面ディラック電子状態のエネルギー準位のみを制御することに初めて成功した。

現在までの達成度 (段落)

令和2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2年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Unusual Temperature Evolution of Quasiparticle Band Dispersion in Electron-Doped FeSe Films (2021)
  • 著者名/発表者名: Nakayama Kosuke、Shigekawa Koshin、Sugawara Katsuaki、Takahashi Takashi、Sato Takafumi
  • 雑誌名: Symmetry 巻: 13 ページ: 155～155
  • DOI: 10.3390/sym13020155
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Manipulation of Dirac Cone in Topological Insulator/Topological Insulator Heterostructure (2021)
  • 著者名/発表者名: Sato Takumi、Sugawara Katsuaki、Kato Takemi、Nakata Yuki、Souma Seigo、Yamauchi Kunihiko、Oguchi Tamio、Takahashi Takashi、Sato Takafumi
  • 雑誌名: ACS Applied Electronic Materials 巻: 3 ページ: 1080～1085
  • DOI: 10.1021/acsaelm.0c00918
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Highly Tunable Near‐Room Temperature Ferromagnetism in Cr‐Doped Layered Td‐WTe 2 (2021)
  • 著者名/発表者名: Yang Li、Wu Hao、Zhang Liang、Zhang Wenfeng、Li Luying、Kawakami Tappei、Sugawara Katsuaki、Sato Takafumi、Zhang Gaojie、Gao Pengfei、Muhammad Younis、Wen Xiaokun、Tao Boran、Guo Fei、Chang Haixin
  • 雑誌名: Advanced Functional Materials 巻: 31 ページ: 2008116～2008116
  • DOI: 10.1002/adfm.202008116
  • 査読あり
• [雑誌論文] Dirac Fermion Kinetics in 3D Curved Graphene (2020)
  • 著者名/発表者名: Tanabe Yoichi、Ito Yoshikazu、Sugawara Katsuaki、Koshino Mikito、Kimura Shojiro、Naito Tomoya、Johnson Isaac、Takahashi Takashi、Chen Mingwei
  • 雑誌名: Advanced Materials 巻: 32 ページ: 2005838～2005838
  • DOI: 10.1002/adma.202005838
  • 査読あり
• [雑誌論文] Unusual temperature evolution of the band structure of Bi(111) studied by angle-resolved photoemission spectroscopy and density functional theory (2020)
  • 著者名/発表者名: Sato Takafumi、Yamada Keiko、Kosaka Takao、Souma Seigo、Yamauchi Kunihiko、Sugawara Katsuaki、Oguchi Tamio、Takahashi Takashi
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 102 ページ: 085112～085112
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.102.085112
  • 査読あり
• [雑誌論文] Modulation of Dirac electrons in epitaxial Bi2Se3 ultrathin films on van der Waals ferromagnet Cr2Si2Te6 (2020)
  • 著者名/発表者名: Kato Takemi、Sugawara Katsuaki、Ito Naohiro、Yamauchi Kunihiko、Sato Takumi、Oguchi Tamio、Takahashi Takashi、Shiomi Yuki、Saitoh Eiji、Sato Takafumi
  • 雑誌名: Physical Review Materials 巻: 4 ページ: 084202～084202
  • DOI: 10.1103/PhysRevMaterials.4.084202
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] マイクロARPESによる遷移金属ダイカルコゲナイド薄膜の電子状態 (2021)
  • 著者名/発表者名: 菅原克明、川上竜平、加藤剛臣、田口大樹、猿田康朗、久保田雄也、坪野竜治、渡辺夏芽、北村未歩、 堀場弘司、組頭広志、上野啓司、中山耕輔、相馬清吾、高橋 隆、佐藤宇史
  • 学会等名: 日本物理学会2021年年次大会
• [学会発表] Selective fabrication of atomic-layer 1H- and 1T’- MoTe2 films (2021)
  • 著者名/発表者名: K. Sugawara, Y. Saruta, T. Kato, T. Taguchi, T. Takahashi and T. Sato
  • 学会等名: The 4th International Symposium for The Core Research Cluster for Spintronics
  • 国際学会
• [学会発表] The electronic state of atomic-layer TMDs studied by high-resolution ARPES (2020)
  • 著者名/発表者名: K. Sugawara
  • 学会等名: The 6th International Workshop on 2D Materials
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 1T-XSe2(X＝Na, Ta)原子層のモット絶縁相制御：高分解能ARPES (2020)
  • 著者名/発表者名: 中田優樹, ◯菅原克明, C. Bao, S. Zhou, P. Y. Chuang, C. -M Cheng, 高橋隆, A. Chainani, S. Y. Zhou, 佐藤宇史
  • 学会等名: 日本物理学会2020年秋季大会