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トポロジカル絶縁体の応用利用に不可欠である、ナノメートルスケールでの電荷ドーピングが簡便にできる、これまで報告のない全く新しい光誘起ドーピング方法を見出し、その機構を解明した。H2O雰囲気下において、わずかに炭素で汚染されたBi2Se3にSeの内殻準位を励起するのに十分エネルギーの高い光を照射すると試料にホールがドープされる。このホール注入の活性サイトは最外層Seと1層目Biの間で、3つのBiの重心位置に吸着した酸素であり、ドーパント形成サイトは表面上に吸着したエチレン分子であることを明らかにした。また、同様の光誘起ドーピングがBi2Te3や TlBiSe2でも確認されたことから、この手法の普遍性も明らかにした。
光誘起ドーピングは研究代表者が所有するスピン・角度分解光電子分光装置と国内外の放射光施設で行なった。ホール注入はトポロジカル絶縁体のディラック点の束縛エネルギー変化から求め、ドーパントおよびドーパント形成サイトに関する情報は内殻光電子分光、光電子回折と走査トンネル顕微鏡より得た。ドーパントの吸着サイトはO 1s内殻準位からの光電子回折パターンをシミュレーションで得たパターンと比較することによって求め、ドーパント形成サイトは試料の劈開に用いたスコッチテープからの放出ガス成分を質量分析器より求めた結果と走査トンネル顕微鏡と第一原理計算より得た結果を比較することで明らかにした。光誘起ドーピングの安定性に関しては、超高真空中で光誘起ドーピングした試料を一度大気圧下に置き、12時間以上後に真空槽に戻すことで確認した。
また、主課題以外にも、本新学術領域に参加することで新しく始めた金ナノ粒子の電子状態解明に関する共同研究において、ナノ粒子では5d軌道の電子状態が金のバルク固体と大きく異なることを明らかにした。
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