次世代超高速デバイス実現に向けた新規ディラック原子層材料の開発

2020 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 18H03874
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 松田 巌 東京大学, 物性研究所, 准教授 (00343103)
• 研究分担者: 近藤 剛弘 筑波大学, 数理物質系, 准教授 (70373305) ; 冨中 悟史 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点, 主任研究員 (90468869)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2021-03-31
• キーワード: ダイナミクス / ディラック電子系 / 時間分解光電子分光 / トポロジー

研究実績の概要

本研究では新規ディラック原子層材料の開発とそのダイナミクスの解明を目的としている。令和２年度もディラック電子系を有した様々な原子層を成長及び合成し、その電子状態とキャリアダイナミクスを調べてきた。その中で、ホウ素の５員環と７員環から構成された水素化ホウ素(HB)シートについて、局所的な三中心二電子化学結合の概念とノンシンモルフィック対称群に属する2次元系を組み合わせたところ、トポロジカル量で定義できる電子状態を実現できることを明らかにした。そして、本条件を満たすHBシートを実際に合成し、X線分光法と第一原理計算により本物質がディラックノーダル半金属を成していることを発見した。このトポロジカルに関する理論研究は論文発表し、実験結果については現在論文査読中である。

本研究ではこれまで準結晶2層グラフェンにおけるディラックフェルミオンのダイナミクスを追跡してきた。その結果、グラフェンの層間で光誘起電位が過渡的に発生することを発見した。そこで、令和２年度ではその起源を時間分解光電子分光法でさらに追求した。準結晶2層グラフェンへの外因的キャリアドープや基板を変化させ、電子状態を直接調べたところ、グラフェンと基板との界面電子状態が大きく関与していることが分かった、そして緩和時間や輸送定数などの動的パラメータを系統的に決定することができた。これらの定量データは今後のグラフェンベースの通信素子開発などで役立つと期待される。

2次元ホウ素について、分野の研究成果と今後の展望をまとめた洋書「2D Boron: Boraphene, Borophene, Boronene」を執筆し、Spring社から出版した。

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

• [国際共同研究] Sungkyunkwan University(韓国)
  • 国名: 韓国
  • 外国機関名: Sungkyunkwan University
• [国際共同研究] Sorbonne Universit/Universite Jean Monnet(フランス)
  • 国名: フランス
  • 外国機関名: Sorbonne Universit/Universite Jean Monnet
• [国際共同研究] Consiglio Nazionale delle Ricerche(イタリア)
  • 国名: イタリア
  • 外国機関名: Consiglio Nazionale delle Ricerche
• [雑誌論文] Electronic structure of a (3×3)-ordered silicon layer on Al(111) (2020)
  • 著者名/発表者名: Sato Yusuke、Fukaya Yuki、Cameau Mathis、Kundu Asish K.、Shiga Daisuke、Yukawa Ryu、Horiba Koji、Chen Chin-Hsuan、Huang Angus、Jeng Horng-Tay、Ozaki Taisuke、Kumigashira Hiroshi、Niibe Masahito、Matsuda Iwao
  • 雑誌名: Physical Review Materials 巻: 4 ページ: 064005-1,-6
  • DOI: 10.1103/PhysRevMaterials.4.064005
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Topological Dirac nodal loops in nonsymmorphic hydrogenated monolayer boron (2020)
  • 著者名/発表者名: Cuong N. T.、Tateishi I.、Cameau M.、Niibe M.、Umezawa N.、Slater B.、Yubuta K.、Kondo T.、Ogata M.、Okada S.、Matsuda I.
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 101 ページ: 195412-1,-11
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.101.195412
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Time-resolved X-ray photoelectron diffraction using an angle-resolved time-of-flight electron analyzer (2020)
  • 著者名/発表者名: Ang Artoni Kevin R.、Fukatsu Yuichiro、Kimura Koji、Yamamoto Yuta、Yonezawa Takahiro、Nitta Hirokazu、Fleurence Antoine、Yamamoto Susumu、Matsuda Iwao、Yamada-Takamura Yukiko、Hayashi Kouichi
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 59 ページ: 100902～100902
  • DOI: 10.35848/1347-4065/abb57e
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] Regulation of asymmetric interlayer distributions of carriers in Twisted Bilayer Graphene and dynamics (2021)
  • 著者名/発表者名: Yuhao Zhao, Takeshi Suzuki, Takushi Iimori, Sung Joon Ahn, Joung Real Ahn, Jiadi Xu, Qianhui Ren, Masami Fujisawa, Teruto Kanai, Jiro Itatani, Kozo Okazaki, Shik Shin, Hirokazu Fukidome, Fumio Komori, Iwao Matsuda
  • 学会等名: 日本物理学会第76回年次大会
• [学会発表] Topological Dirac nodal loops in nonsymmorphic hydrogenated monolayer boron (2021)
  • 著者名/発表者名: Iwao Matsuda
  • 学会等名: The 7th International Workshop on 2D Materials(on-line)
  • 国際学会 / 招待講演
• [図書] 2D Boron: Boraphene, Borophene, Boronene (2021)
  • 著者名/発表者名: Iwao Matsuda, Kehui Wu
  • 総ページ数: 171
  • 出版者: Springer