原子レベルで制御された原子層結晶界面での新奇スピン物性

2023 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 22H01957
• 配分区分: 補助金
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 坂本 一之 大阪大学, 大学院工学研究科, 教授 (70261542)
• 研究分担者: 宮町 俊生 名古屋大学, 未来材料・システム研究所, 准教授 (10437361) ; 小田 竜樹 金沢大学, 数物科学系, 教授 (30272941) ; 水津 理恵 名古屋大学, 理学研究科, 特任助教 (90373315)
• 研究期間 (年度): 2022-04-01 – 2025-03-31
• キーワード: 原子層結晶 / ラシュバ・エデルシュタイン効果 / スピン軌道相互作用 / スピントロニクス / 界面

研究実績の概要

固体表面上に作製した原子1層から数層の原子層結晶では、スピン軌道相互作用と層垂直方向の反転対称性に起因したスピン偏極電子バンドが生じる。原子層結晶の両端に電位差をかけるとこのバンドを介したスピン偏極電流が流れ、スピンホール効果により電子スピンはその向きに依存して原子層の上もしくは下、つまり固体中に移動する。このことは、原子層結晶上に磁性層を成長させると、原子層結晶との界面でラシュバ・エデルシュタイン効果によるスピン蓄積機構が生じる可能性を意味している。研究代表者は、これまで原子層結晶の構造に由来する特異な偏極スピンの存在や、ラシュバ効果が小さい重元素原子層結晶以外の系においても軌道角運動量の影響が大きければスピン偏極バンドが生成することを報告してきた。このことは、原子層結晶の構造などを制御することでスピンの向きだけでなく、スピン流の偏極度も制御可能であり、これまでにない概念のスピントロニクスデバイスが創出できる可能性を意味している。そこで、原子層結晶のスピン偏極電子バンドを大きく変調させることなく磁性層を成長させることを目的に、磁性有機分子FePc、MnPcとCoPcをそれぞれ成長させた原子層結晶のバンド構造を測定した。その結果、In 2層からなる原子層結晶の場合、FePc、MnPc、CoPcのどの分子を蒸着してもバンド構造が大きく変調しないことと、3種類の分子のいずれもがflat lying構造で吸着することを明らかにした。TlとPbの合金1層からなる原子層結晶では、FePcとMnPcの蒸着で原子層結晶のバンド構造はほとんど変化しなかったが、CoPcの蒸着ではバンド構造が大きく崩れることが明らかになった。現在は、TlPb合金の上でのFePcとMnPcの吸着構造と、In原子層に微弱電流を流した時の原子・分子構造やバンド構造への影響を調べている。

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

昨年度に引き続き、磁性有機分子蒸着による原子層結晶の電子バンドへの影響を調べ、分子に依存したフェルミ波数の変化の違いを明らかにすることに成功した。また、FePcを吸着したTlPb合金原子層結晶では、スピン分裂した2つのフェルミ面の分子吸着量に依存した分裂幅なども計測し、吸着量が小さい時には原子層結晶が電子ドープされているように見えるが、吸着量が1分子層程度になるとホールドープされているように見えることがわかった。フェルミ面の大きさが変化する要因として、電荷移動とプッシュバック効果が考えられるが、FePcの吸着量に依存したTlPb合金原子層結晶のフェルミ面の大きさの変化の要因を結論するにはさらなる詳細な電子状態の情報が必要である。ただ、今回の系ではFePcが原子層結晶基板に対して寝ている配向で吸着していることがわかり、FePcの磁気秩序が面直方向に連なった1次元で発現することが報告されていることを勘案すると、TlPbに微弱電流を流すことによってFePc膜の磁化を制御できる可能性があることがわかった。原子層結晶と同じくスピン流が流れるトポロジカル絶縁体Bi2Se３とTlBiSe2の上にも磁性有機分子MnPcを蒸着し、電子状態の変化と分子の吸着構造を調べた。その結果、Bi2Se3はMnPcの吸着によって電子ドープされ、TlBiSe2はわずかにホールドープされることがわかった。この違いは分子の吸着構造の違いによって、分子とトポロジカル絶縁体間の相互作用が違うことに起因すると結論した。また、スピン偏極電子バンドの形自体が変わっていないことから、これらの系においてもスピン流によって磁性層の磁化制御が可能であることを示した。以上より、原子層結晶のスピン偏極電流が磁性層に与える影響の測定が計画通りに進まなかったものの、全体としておおむね順調に進展していると考えている。

今後の研究の推進方策

本年度は、昨年度得た結果をより発展させるため、以下のものを計画している。 (1) 昨年度装置の改良のためにできなかった、基板にわずかな電流を流した時の原子層結晶のバンド構造の変調と吸着分子の分子軌道の変調に関する知見を角度分解光電子分光で得ることと、(2)基板に電流を流した状態でスピン分解光電子分光とスピン偏極操作トンネル顕微鏡により分子軌道のスピン状態に関する情報を得ること、(3)異方的なスピン流が期待されるSi(110)表面上に作製したTlPb原子層合金のスピン偏極バンド測定と(4)その上に磁性有機分子を蒸着した時のバンド形状の変化に関する知見を得、(5)その結果を第一原理計算から得た結果と比較・議論することで異方的なバンドを有する原子層結晶-磁性有機分子界面での電子スピン物性を明らかにすること、(6)超高真空中で作製した原子層結晶およびその上に成長させた磁性層は大気にさらすと簡単に酸化すると想像できため、試料の電子状態を破壊せずに大気中に取り出すために超高真空中でイオン液体滴下により保護された試料の物性を大気中で測定することを考えている。真空中でのイオン液体滴下装置は本年度そのプロトタイプを作製している。光電子分光測定は研究代表者の坂本が所有するスピン・角度分解光電子分光装置と国内外の放射光施設を用いて行う。イオン液体滴下装置を用いた測定は坂本が行う。走査トンネル顕微鏡測定は研究分担者の宮町が所有するスピン偏極走査トンネル顕微鏡装置を用いて行い、新奇磁性有機分子の合成は研究分担者の水津が行う。第一原理計算は研究分担者の小田が担当する。

研究成果

• [国際共同研究] ウィスコンシン大学ミルウォーキー校(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: ウィスコンシン大学ミルウォーキー校
• [国際共同研究] ミュンスター大学(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: ミュンスター大学
• [国際共同研究] Institute for Basic Science (IBS)(韓国)
  • 国名: 韓国
  • 外国機関名: Institute for Basic Science (IBS)
• [国際共同研究] CNR-IOM(イタリア)
  • 国名: イタリア
  • 外国機関名: CNR-IOM
• [国際共同研究] チャルマース工科大学(スウェーデン)
  • 国名: スウェーデン
  • 外国機関名: チャルマース工科大学
• [国際共同研究]
  • 他の国数: 1
• [雑誌論文] Carrier doping of Bi2Se3 surface by chemical adsorption - a DFT study (2024)
  • 著者名/発表者名: Fan Cheng、Sakamoto Kazuyuki、Krueger Peter
  • 雑誌名: Applied Surface Science 巻: 643 ページ: 158699-1～8
  • DOI: 10.1016/j.apsusc.2023.158699
  • 査読あり
• [雑誌論文] Substrate-Dependent Physical Properties at the Interface of Manganese(II) Phthalocyanine and Topological Insulators (2024)
  • 著者名/発表者名: Itaya Ryota、Higuchi Yuki、Nishioka Tomoki、Tomita Mito、Kuroda Kenta、Fujii Jun、Sato Hitoshi、Sakamoto Kazuyuki
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry C 巻: 128 ページ: 2705～2712
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.3c07955
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] X-ray crystallographic analysis of the antiferromagnetic low-temperature phase of galvinoxyl: investigating magnetic duality in organic radicals (2024)
  • 著者名/発表者名: Suizu Rie、Shuku Yoshiaki、Robert Vincent、Roseiro Pablo、Ben Amor Nadia、Khawar Zain、Robertson Neil、Awaga Kunio
  • 雑誌名: Dalton Transactions 巻: 53 ページ: 1961～1965
  • DOI: 10.1039/D3DT03601D
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Revealing the Hidden Spin-Polarized Bands in a Superconducting Tl Bilayer Crystal (2023)
  • 著者名/発表者名: Kobayashi Takahiro,Toichi Yuichiro,Yaji Koichiro,Nakata Yoshitaka,Yaoita Yuchi,Iwaoka Mutsuki,Koga Mariko,Zhang Yituo,Fujii Jun,Ono Shimpei,Sassa Yasmine,Yoshida Yasuo,Hasegawa Yukio,Komori Fumio,Shin Shik,Ichinokura Satoru,Akiyama Ryota,Hasegawa Shuji,Shishidou Tatsuya,Weinert Michael,Sakamoto Kazuyuki
  • 雑誌名: Nano Letters 巻: 23 ページ: 7675～7682
  • DOI: 10.1021/acs.nanolett.3c02387
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Creation of a p-type TlBiSe2 using photo-induced doping (2023)
  • 著者名/発表者名: Itaya Ryota、Toichi Yuichiro、Nakanishi Ryuya、Ebara Narunori、Nakata Yoshitaka、Kasai Kentaro、Kuroda Kenta、Arita Masashi、Yamamoto Isamu、Fukutani Keisuke、Sakamoto Kazuyuki
  • 雑誌名: Physical Review Materials 巻: 7 ページ: 114201-1～6
  • DOI: 10.1103/PhysRevMaterials.7.114201
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Soft x-ray photoelectron momentum microscope for multimodal valence band stereography (2023)
  • 著者名/発表者名: Matsui Fumihiko、Hagiwara Kenta、Nakamura Eiken、Yano Takayuki、Matsuda Hiroyuki、Okano Yasuaki、Kera Satoshi、Hashimoto Eri、Koh Shinji、Ueno Keiji、Kobayashi Takahiro、Iwamoto Emi、Sakamoto Kazuyuki、Tanaka Shin-ichiro、Suga Shigemasa
  • 雑誌名: Review of Scientific Instruments 巻: 94 ページ: 083701-1～10
  • DOI: 10.1063/5.0154156
  • 査読あり
• [雑誌論文] Width-dependent band gap of arm-chair graphene nanoribbons formed on vicinal SiC substrates by MBE (2023)
  • 著者名/発表者名: Iimori Takushi、Miyamachi Toshio、Kajiwara Takashi、Mase Kazuhiko、Tanaka Satoru、Komori Fumio、Nakatsuji Kan
  • 雑誌名: Journal of Physics: Condensed Matter 巻: 35 ページ: 455002-1～5
  • DOI: 10.1088/1361-648X/aced30
  • 査読あり
• [雑誌論文] Intermolecular Interaction Induced Magnetic Decoupling at an Organic-Inorganic Interface (2023)
  • 著者名/発表者名: Ono Hiroki、Umeda Yoshitaka、Yoshida Kaito、Tsutsui Kenzaburo、Yamamoto Kohei、Ishiyama Osamu、Iwayama Hiroshi、Nakamura Eiken、Yokoyama Toshihiko、Mizuguchi Masaki、Miyamachi Toshio
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry C 巻: 127 ページ: 23935～23940
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.3c05966
  • 査読あり
• [雑誌論文] Engineering Dirac cones and topological flat bands with organic molecules (2023)
  • 著者名/発表者名: Shuku Yoshiaki、Suizu Rie、Nakano Saya、Tsuchiizu Masahisa、Awaga Kunio
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 107 ページ: 155123-1～8
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.107.155123
  • 査読あり
• [雑誌論文] Ideal trigonal prismatic coordination geometry of Co(II) in a honeycomb MOF with a triptycene-based ligand (2023)
  • 著者名/発表者名: Shuku Yoshiaki、Suizu Rie、Tsuchiizu Masahisa、Awaga Kunio
  • 雑誌名: Chemical Communications 巻: 59 ページ: 10105～10108
  • DOI: 10.1039/D3CC02986G
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Spin-polarized bands of bilayer crystals formed on solid surfaces (2024)
  • 著者名/発表者名: Kazuyuki Sakamoto
  • 学会等名: International Symposium on Atomic Level Characterizations for New Materials and Devices in Winter 2024 (ALC-W 2024)
  • 国際学会
• [学会発表] 磁気形状記憶合金のマルテンサイト変態機構解明へ向けて (2024)
  • 著者名/発表者名: 小田竜樹
  • 学会等名: ＣＡＭＭフォーラム「コンピュータによる材料開発・物質設計を考える会」
  • 招待講演
• [学会発表] Spin-Polarized Electrons in Bilayer Atomic Crystals Formed on Solid Surfaces (2023)
  • 著者名/発表者名: Kazuyuki Sakamoto
  • 学会等名: International Conference on Materials for Advanced Technologies 2023 (ICMAT 2023)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Spin-polarized electronic states of bilayer superconducting materials formed on solid surfaces (2023)
  • 著者名/発表者名: Kazuyuki Sakamoto
  • 学会等名: International Conference on Advanced Quantum Materials 2023 (AQM 2023)
  • 国際学会
• [学会発表] 固体表面上の原子層結晶におけるスピン偏極電子バンド (2023)
  • 著者名/発表者名: 坂本一之
  • 学会等名: ナノテラスARPESシンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] 2原子層タリウムの隠れたスピン偏極電子バンド (2023)
  • 著者名/発表者名: 戸市裕一朗，小林宇宏，中田慶隆，岩岡睦生，八百板裕智，矢治光一郎，Yasmine Sassa，藤井純，吉田靖雄，長谷川幸雄，獅子堂達也，Michael Weinert，坂本一之
  • 学会等名: 日本物理学会 第78回年次大会
• [学会発表] MnPc吸着によるBi2Se3とTlBiSe2の電子状態変化 (2023)
  • 著者名/発表者名: 板谷亮太, 樋口裕紀, 西岡知希, 冨田実都, 佐藤仁, 黒田健太, 坂本一之
  • 学会等名: 日本物理学会 第78回年次大会
• [学会発表] 磁性有機分子吸着による原子層合金の電子状態への影響 (2023)
  • 著者名/発表者名: 高桑奏弦, 戸市裕一朗, 安田江莉花, 山本勇, 坂本一之
  • 学会等名: 日本物理学会 第78回年次大会
• [学会発表] 有機分子を吸着させた原子層超伝導体In/Si(111)-(√7×√3)の電子状態 (2023)
  • 著者名/発表者名: 馬地蒼士郎, 稲垣俊輔, 西岡知希, 坂本一之
  • 学会等名: 日本物理学会 第78回年次大会
• [学会発表] トポロジカル絶縁体Bi2Se3の3次元バルクバンド構造の決定 (2023)
  • 著者名/発表者名: 樋口裕紀, 板谷亮太, 冨田実都, 齋藤悠宇, 鈴木雄大, 黒田健太, 佐藤仁, 佐藤和則, 坂本一之
  • 学会等名: 日本物理学会 第78回年次大会
• [学会発表] 拡張探索空間で見出された実測サブバンド準位を満たすSi(001)p型反転層形状 (2023)
  • 著者名/発表者名: 市川涼太, Brian Godwin Lim, 湯川龍, 比嘉友大, 奥村勇斗, Renzo Tan, 池田和司, 坂本一之, 筒井一生, 武田さくら
  • 学会等名: 日本物理学会 第78回年次大会
• [学会発表] K蒸着によるIn/Si(111)-(√7×√3)の電子状態の変調 (2023)
  • 著者名/発表者名: 島崎 竜史、馬地 蒼士郎、高桑 奏弦、中西 龍也、Peter Krueger、山本 勇、坂本 一之
  • 学会等名: 2023年度関西薄膜・表面物理セミナー
• [学会発表] Band Structure of Self-assembled Honeycomb Lattice in the Monolayer of Trip-Phz on Ag(111) (2023)
  • 著者名/発表者名: R. Suizu, R. Nemoto, R. Arafune, T. Uchihashi, K. Awaga
  • 学会等名: 14th Japan-China Joint Symposium on Conduction and Photoconduction in Organic Solids and Related Phenomena (14JCJS)
  • 国際学会
• [学会発表] X-ray crystallographic analysis of the low temperature phase in galvinoxyl radical with ferromagnetic-antiferromagnetic interaction (2023)
  • 著者名/発表者名: R. Suizu, Y. Shuku, V. Robert, Z. Khawar, N. Robertson, K. Awaga
  • 学会等名: The 18th International Conference on Molecule-Based Magnets (ICMM2023)
  • 国際学会
• [学会発表] Molecular Honeycomb Lattice in the Monolayer of Triptycene derivative Trip-Phz on Ag(111) (2023)
  • 著者名/発表者名: R. Suizu, R. Nemoto, R. Ushiroguchi, R. Sema, T. Uchihashi, K. Awaga
  • 学会等名: 16th International conference on materials chemistry (MC16)
  • 国際学会
• [学会発表] 有機中性ラジカル、ガルビノキシルの反磁性低温相の結晶構造 (2023)
  • 著者名/発表者名: 水津理恵、珠玖良昭、Z. Khawar、N. Robertson、V. Robert、阿波賀邦夫
  • 学会等名: 第31回有機結晶シンポジウム
• [学会発表] 単結晶中性子回折法によるジャイロイドMOF [Ru(bpy)3][Mn2(ox)3]の磁気構造解析 (2023)
  • 著者名/発表者名: 水津理恵、中島一哉、石川喜久、大原高志、土射津昌久、阿波賀邦夫
  • 学会等名: 日本物理学会 第78回年次大会
• [学会発表] 強磁性/反強磁性分子間相互作用をもつgalvinoxyl radicalの低温相の構造決定 (2023)
  • 著者名/発表者名: 水津理恵、珠玖良昭、Zain Khawar、阿波賀邦夫
  • 学会等名: 第17回分子科学討論会