| 研究実績の概要 |
3次元トポロジカル絶縁体（Topological Insulator, TI）は物質表面にスピン偏極した特殊なディラック電子をもつ。TI表面電子はスピン偏極した電流を容易に生み出すことが可能であるため、スピントルクを利用した磁化反転メモリデバイスなどに応用が期待されている。応用上の問題は表面伝導と共存するバルク伝導である。全伝導にしめる表面伝導の割合が低いとスピン注入効率が低下してしまう。このため十分なバルク絶縁性をもつTIを合成することは、デバイス応用・基礎研究の両面で重要なテーマである。本研究ではPbBi2Te4を出発物質とし、Bi・Teサイトを他元素で置換することでバルク絶縁体化を行い、表面電子がもつ基本物性を解明することを目標とする。
基本的にバンドギャップ（BG）が大きい系ほどバルク絶縁性が有望であるが、PbBi2Te4のTeサイトをSeで置換を行うと大幅にBGが向上することが近年理論計算により指摘された。この際Seが特定の結晶サイトを占めることが条件であったが、この構造情報はこれまで未知であった。本年度ではSe添加したPbBi2(Te,Se)4系の結晶作製・結晶構造解析を行った結果、BGが最大となるサイトにSeが強くオーダリングすることを実験的に示した。これと並行してバルク絶縁性がある程度確保されているPb(Bi,Sb)2Te4系からサンプル厚み100nm程度のナノフレークを作製し、抵抗測定を行うことで表面電子の輸送特性を評価することを試みた。表面電子状態に起因するとみられる量子振動を観測し、解析から電子の有効質量やフェルミ準位の位置を推定することに成功した。これはバンドギャップ中にある不純物準位に関する情報であり、バルク絶縁体化において重要な知見である。
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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
研究初年度においてはPbBi2(Te,Se)4系において結晶作製と結晶構造解析、Pb(Bi,Sb)2Te4系におけるナノフレーク抵抗測定を行った。PbBi2(Te,Se)4系においては添加元素SeがBG最大となる理想的な結晶サイトに強くオーダリングしていることを実験的に示した。またPb(Bi,Sb)2Te4系でのナノフレーク抵抗測定においてPtを端子として蒸着することで抵抗測定を行ったが、当初Pt-サンプル間でショットキー障壁が生じ抵抗測定が精度よくできなかった。実験条件を変えることでオーミック接触を形成し、有効精度5，6桁の精密な抵抗測定が可能となった。これが量子振動観測の基礎となった。この技術は今後Pb(Bi,Sb)2(Te,Se)4系など他の系で表面伝導を評価するうえでも重要となる。
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| 今後の研究の推進方策 |
PbBi2(Te,Se)4系ではBGが最大となるサイトにSe原子がオーダリングしていることがわかったが、フェルミ準位がバルク伝導帯にあるためバルク絶縁性は確保できない。そこでSbドープによりフェルミ準位をBG中に降下させることバルク絶縁体化を行い、Pb(Bi,Sb)2Te4系を超えるバルク絶縁性を持たせることを目標とする。これと並行してPb(Bi,Sb)2Te4系での表面電子状態の解明を輸送測定とSTMを併用して行う。量子振動解析による各種輸送物理量の推定や、STM dI/dV像解析による表面電子状態の散乱過程を解明することを目標とする。
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