研究課題
トポロジカル絶縁体三テルル化二ビスマス（Bi2Te3)は、テルル原子層ービスマス原子層-テルル原子層ービスマス原子層ーテルル原子層の５原子層を単位層とし、これらが規則的に積層した構造を有する層状トポロジカル絶縁体である。従来、この積層したマクロ結晶全体が一つのトポロジカル物質と考えられており、そのマクロ結晶内部は完全な絶縁体であり、結晶表面にのみ金属的なトポロジカル表面状態が存在すると想定されてきた。本研究では、スピン軌道相互作用を考慮した全電子第一原理計算から、上記の描像は正確ではなく、５原子層の単位層ごとの界面に小さなエネルギーギャップを有する半導体的な界面バンドが存在することを見出した。これを実験的に証明するために、独自に着想した層状化合物分子線エピタキシー法により、５原子層（QL: quintaple layer)を単位とする精密エピタキシャル成長を実現した。これにより、1QLから5QLまでの超薄膜を作成し、その電子状態解析と電気伝導測定を行って、各QLおよびQL-QL界面の働きを検討した。これにより、BiTeの電気伝導、スピン伝導を担っているのはマクロ結晶の表面だけではなく、全ての隣接する単位層の間のTe-Te界面もまた伝導を担っていることを示した。さらに、ボルツマン方程式による解析をおこない、最表面のトポロジカル表面状態よりも、Te-Te界面状態の伝導バンドの方がより長い平均自由行程を有していることを明らかにした。これらのことから、層状トポロジカル絶縁体における界面の電子状態、伝導性についての従来知られていなかった種々の知見を得て、新しい描像を確立した。
令和3年度が最終年度であるため、記入しない。
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