2021 Fiscal Year Annual Research Report
Fabrication of two-dimensional superconductors at the graphene/SiC interface by the intercalation technique
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21J23576
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
榊原 涼太郎 名古屋大学, 工学研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2021-04-28 – 2024-03-31
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| Keywords | 二次元物質 / グラフェン / 炭化ケイ素 / インターカレーション / セレン化鉄 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、二次元超伝導物質FeSeをグラフェン/SiC界面に安定的に作製する手法を確立することである。令和3年度ではFeSe作製の前段階として、Feインターカレーションによるグラフェン/SiC界面でのFe二次元膜作製を行った。インターカレーションを行うことで、Fe原子はグラフェン/SiC界面に安定化され、大気暴露後も酸化から保護されることが期待される。
実験手順としては、まずSiC単結晶基板をArガス雰囲気中で加熱することで均質なバッファー層試料を作製した。次にMBEチャンバー内でバッファー層へFe蒸着を行い、その後超高真空中で加熱することでFeインターカレーションを試みた。
蒸着膜厚や加熱温度をパラメータとして条件検討を行った結果、Ramanスペクトルではグラフェンの形成が確認され、X線光電子分光(XPS)ではFe2p内殻スペクトルにおいて酸化鉄に帰属されないピークが出現した。このピークは長期間の大気暴露に対して安定であり、1ヵ月後のXPS測定においても酸化鉄へ変化していないことを確認した。従って、Fe原子が表面ではなく界面で、何らかの化学結合状態で安定化されたことが示唆された。この試料について透過型電子顕微鏡(TEM)により界面構造の直接観察を行った結果、実際にグラフェン/SiC界面に、Feを含む層構造が形成していることが確認された。この一連の実験に関しては、令和3年7月より原子力研究開発機構のグループと共同研究を行っている。
また、この次のステップとして、Feインターカレーションを施した試料をSeガス雰囲気中で加熱する実験を行う予定であるが、その実験のための装置開発も行った。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
研究計画の時点で、本研究のスキームを2段階に分けた。前半はグラフェン/Fe/SiC構造の作製、後半はグラフェン/FeSe/SiCの作製と物性評価である。
令和3年度では、様々なアプローチによって前半の部分を達成することが目標であったが、上述の研究実績に記載した通り、グラフェン/SiC界面においてFeを含む層構造の形成が確認された。この層構造の元素組成や結晶学的情報といった詳細は令和4年5月現在調査中であるが、当初の目標はおおむね達成できたと考えている。
また、令和4年度以降はグラフェン/Fe/SiC試料をSeガス中で加熱し、界面でFeSeを作製することを目標としているが、同じく上述したように、Seガス雰囲気中で試料を加熱できる実験装置を開発済みである。
従って、進捗状況としてはおおむね順調である。
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| Strategy for Future Research Activity |
既にグラフェン/SiC界面にFeを含む層構造の形成を確認したが、この層構造の詳細を明らかにするため、元素分析が可能なTEMや放射光XPSによる観察を行う。元素分析が可能なTEMについては名古屋大学の超高圧電子顕微鏡施設が保有する装置を利用する。放射光XPSについては共同研究先の原子力研究開発機構のグループの協力を仰ぎ、SPring-8のビームラインを利用する予定である。また、このFeインターカレーションに関しては概ね最適な試料作製条件が明らかとなっているが、今後はより詳細な条件検討により、さらに高品質かつ大面積で試料作製を狙う。なお、本研究で扱う試料においては、磁性金属が二次元的に安定化されることが期待できるため、物性の観点からも興味深い。従って、角度分解光電子分光などを用いた電子構造の観察なども行いたい。
そして、Seガス雰囲気中で試料を加熱できるような装置を開発済であるため、上述の実験と並行して、本研究の最終目標であるグラフェン/SiC界面でのFeSe作製を目指す。具体的には、Seガスの導入量や加熱温度を様々に検討し、得られた試料についてRaman分光、XPS、TEMなどによるキャラクタリゼーションを行う。大面積で均質な試料が得られた場合には、低温電気抵抗測定や角度分解光電子分光による物性評価も行う。
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