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

结合电子态成像和第一性原理计算的原子层材料的新兴边缘特性

• 批准号: 21H01757
• 负责人: 菅原 克明
• 金额: $ 10.48万
• 依托单位: Tohoku University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21H01757/
• 关键词: 原子層材料; ARPES; MBE; エッジ状態; エッジ物性

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。

In recent years, atomic layer material research has been active to develop a new method, which depends on the structure of the end and the physical properties. The reason is that it is difficult to control the structure of atomic layer materials and to determine the crystal structure of bulk materials by X-ray reflection. In this study, molecular line method was used to prepare atomic layer thin film electronic state, angle decomposition photoelectron spectroscopy, visualization, end structure, definition of atomic layer structure, theoretical calculation of electronic state, determination of atomic layer material end structure, and creation of specific electronic properties. 2nd Year Goals This year, we will focus on the production of 2DTI atomic layers for Bi and Sb evaporation on SiC at water terminals, and the use of improved molecular wire Epitaki (MBE) devices in the first year. As a result, the production of the new atomic structure was successful. A comparison of the results of the first-principle calculation of the orbital interaction between the orbital interaction and the ARPES shows that the orbital interaction is spatially symmetric. In the beginning of this year, the new spectrometer was introduced, and the new device was successfully constructed in vacuum. The field analysis of the structure of the atomic layer thin film was carried out. In the future, the relationship between the electron system and the optical system will be clarified.

项目成果

原子層WTe2の相制御：高分解能ARPES

原子层WTe2的相位控制：高分辨率ARPES

• 发表时间: 2023
• 作者: 安藤龍一;川上竜平;八重樫健;柳沢幸紀;菅原克明;佐藤宇史;高橋隆
• 通讯作者: 高橋隆

Charge order with unusual star-of-David lattice in monolayer NbTe2

单层 NbTe2 中异常大卫星晶格的电荷顺序

• DOI: 10.1103/physrevb.107.l041105
• 发表时间: 2023
• 期刊: Physical Review B
• 影响因子: 3.7
• 作者: Taguchi Taiki;Sugawara Katsuaki;Oka Hirofumi;Kawakami Tappei;Saruta Yasuaki;Kato Takemi;Nakayama Kosuke;Souma Seigo;Takahashi Takashi;Fukumura Tomoteru;Sato Takafumi
• 通讯作者: Sato Takafumi

Electronic structure of 2D materials studied by micro-ARPES

利用微型 ARPES 研究二维材料的电子结构

• 发表时间: 2023
• 作者: Kolmogorov Vasilii S.;et al.,;K. Sugawara
• 通讯作者: K. Sugawara

Direct Imaging of Band Structure for Powdered Rhombohedral Boron Monosulfide by Microfocused ARPES

• DOI: 10.1021/acs.nanolett.2c04048
• 发表时间: 2023-02
• 期刊: Nano Letters
• 影响因子: 10.8
• 作者: K. Sugawara;H. Kusaka;Tappei Kawakami;Koki Yanagizawa;A. Honma;S. Souma;K. Nakayama;M. Miyakawa;T. Taniguchi;M. Kitamura;K. Horiba;H. Kumigashira;Takashi Takahashi;S. Orimo;M. Toyoda;Susumu Saito;T. Kondo;Takafumi Sato

Robust Mott-insulators of atomic-layer TMDs films studied by ARPES

ARPES 研究原子层 TMD 薄膜的鲁棒莫特绝缘体

• 发表时间: 2022
• 作者: Soon Julian Wong;Oohora Koji;Uchihashi Takayuki;Hayashi Takashi;原野幸治;K. Sugawara
• 通讯作者: K. Sugawara