2018 Fiscal Year Annual Research Report
ディラック半金属薄膜の超高品質化とトポロジカル量子輸送現象の究明
| Project/Area Number |
18J22132
|
|---|
| Research Institution | The University of Tokyo |
|---|
Principal Investigator |
中澤 佑介 東京大学, 工学系研究科, 特別研究員(DC1)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2018-04-25 – 2021-03-31
|
| Keywords | ディラック半金属 / 分子線エピタキシー / ワイル軌道 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は三次元トポロジカルディラック半金属として知られるCd3As2について、分子線エピタキシー法を用いた希薄キャリア・高結晶性薄膜の作製条件の確立に取り組んだ。
トポロジカルディラック半金属はバンド反転を伴った非自明な電子構造を有し、その特異な量子輸送現象は現在の物性物理学において大きな関心を集めている。このトポロジカルディラック半金属の特異な量子輸送現象の解明のため、実験的観点からは希薄なキャリア密度と高結晶性、また三次元性を保証する十分な膜厚を兼ね備えた薄膜試料の作製が必須である。しかしながら、Cd3As2についてはその高い蒸気圧に起因し、上記のような薄膜試料の作製はこれまで困難であった。このような問題点を解決すべく、化合物半導体薄膜の代表的な作製手法である分子線エピタキシー法を応用することにより、超高品質Cd3As2薄膜の作製条件の確立に取り組んだ。
基板処理手法や成膜分圧、また成膜過程の詳細な検証の結果、三次元的膜厚領域において、非常に希薄なキャリア密度とこれまでの報告において最高となる電子移動度を両立したCd3As2薄膜の作製を達成した。また、得られたCd3As2薄膜においては、従来の単純な二次元や三次元の電子構造の描像では記述することの出来ない、特異な量子輸送現象が観測された。これはトポロジカルディラック半金属の非自明な電子構造に由来した表面状態が関与するものと考えられる。
このような高品質Cd3As2薄膜の作製条件の確立は、化学置換や電界効果によってトポロジカルディラック半金属のバンド反転領域における量子輸送現象の検証を初めて可能にする重要なものである。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
トポロジカルディラック半金属Cd3As2の電子構造を評価するためには、希薄なキャリア密度を有する試料の作製が重要である。これは、Cd3As2の非自明な量子輸送特性は、ディラック分散を伴ったバンド反転に由来するものであり、フェルミ準位がこのバンド反転領域近傍にある必要があるためである。特に、次年度の研究計画であるZnドープによるフェルミ準位の変調においては、元々のキャリア密度が希薄である必要がある。これは、ZnドープはCd3As2のフェルミ準位を低減させることが出来る一方で、スピン軌道相互作用およびバンド反転エネルギーを減少させるため、より少くないZnドープ量でp型領域までフェルミ準位を変調する必要があるためである。
これらのことを踏まえ、本年度に達成したキャリア密度(5e+16cm-3)は、Znドープにより、バンド反転を解くことなくp型領域までフェルミ順位を変調することが出来るものであり、次年度の計画を遂行するにあたり問題ない試料品質を実現している。
また、このような希薄なキャリア密度を有するCd3As2薄膜においては、トポロジカルディラック半金属の非自明な表面状態が関与すると考えられる磁気抵抗振動が観測され、試料品質の向上のみならず、量子輸送特性の評価という点でも一定の成果を挙げた。
これらのことから、本年度は当初の計画通り順調に研究は進展したと判断する。
|
| Strategy for Future Research Activity |
トポロジカルディラック半金属の特異な量子輸送現象の更なる解明のため、分子線エピタキシー法により得られた希薄キャリアCd3As2薄膜に対して、化学置換を用いることにより、フェルミ準位の制御やバンド構造の変調を行う。
特にZnドープについては、10%程度のドープ量でp型領域まで到達することが可能であるため、Cd3As2のバンド反転を維持しながら、pn反転近傍、およびp型領域のそれぞれでの量子輸送特性の評価を行う。
また、Sbドープについては、Cd3As2におけるスピン軌道相互作用およびバンド反転エネルギーの増加が可能である。これにより、量子閉じ込め効果による量子化スピンホール状態の実現がより容易になると考えられ、膜厚の制御によりこれを目指す。
さらに、ZnドープとSbドープは、フェルミ準位の減少・増加、およびバンド反転エネルギーの減少・増加というそれぞれの点において相補的な関係にあるため、ZnとSbを共にドープすることによりフェルミ準位とバンド反転エネルギーを同時に制御することが可能である。これによりは、ディラック半金属中におけるn型・p型および、非自明・自明な電子状態を自在に制御することが可能となり、Cd3As2の基礎物性評価に留まらず、ディラック半金属の工学応用のための基礎を築く。
|
