電子状態イメージングと第一原理計算を融合した原子層材料のエッジ物性創発

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近年、原子層材料研究が活発化する一方、それらの端(エッジ)構造に依存したエッジ物性はいまだ理解されていない。その理由は、原子層材料のエッジ構造を制御法の困難さと、バルク体の結晶構造を同定する上で用いられるX線回折などによってエッジ構造物性を同定することの困難さにある。そこで本研究では、分子線エピタキシー法で作製した単原子層薄膜の電子状態を角度分解光電子分光によって可視化(イメージング化)し、ある端構造を持つ原子層構造を定義することで得られる電子状態の理論計算スクリーニングを行うことによって、原子層材料の終端構造を特定し、エッジ構造に起因した特異エッジ電子物性を創出が目的である。２年度目となる本年度は、水素終端したSiC上へのBiおよびSb蒸着によるビスマセンおよびアンチモネンなどの2DTI原子層の作製を、初年度に改良した分子線エピタキシー(MBE)装置を用いて本格的に取り組んだ。その結果、ビスマセンの作製に成功すると共にその作製過程においてa-Biと呼ばれる(ビスマセンに対して半分のBi原子吸着量)新たな単原子構造の作製に成功した。また、初年度に立ち上げた第一原理計算プログラムワーキングステーションとARPES結果の比較から、それらの電子状態の解明に成功し、その電子状態はスピン軌道相互作用と空間反転対称性の破れによって生じるラシュバ分裂したスピン編曲電子状態を形成することを見出した。また初年度に新たに導入した分光器を本年度で調整することで、真空中でラマン分光が可能なこれまでにない新たな装置の建設に成功し、原子層薄膜のフォノン構造の情報をその場で解析することを可能にした。今後ラマン分光による局所エッジフォノンの観測から、エッジにおける電子系とフォノン系の関連性を明らかにする。