Creation of bismuth layered materials with black phosphorus structure and control of their electronic structures

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本研究では、2次元トポロジカル絶縁体転移が理論予測されている黒リン(BP-like)構造のBi(110)超薄膜を半導体基板上に均一に成長させる条件を見出し、その成長過程・原子構造・電子構造を、走査トンネル顕微鏡(STM)と角度分解光電子分光(ARPES)等の実験手法を用いて詳細に明らかにするため、以下の課題に取り組む。(a) Si(111)傾斜基板を用いたり、成長温度や成長速度を制御したりすることで、回転ドメイン数が少なく膜厚の揃った試料を作製し、電子状態の詳細な測定を行う。(b) Bi(110)超薄膜と基板との界面のwetting layerの原子構造ならびに超薄膜最表面の原子構造を明らかにする。(c) 界面における基板との電荷移動の 詳細を明らかにし、Bi(110)超薄膜への電荷ドーピング制御の可能性を検討する。令和3年度は次の成果を得た。(a) フラットSi(111)√3-B基板に100 K程度でBiを蒸着後に室温までアニールする2段階成長においては、蒸着直後にアモルファス状の形態であったBi島が昇温と共にBi(110)超薄膜へと結晶化し、膜厚が4 MLに揃っていく過程をSTMで明らかにするとともに、モンテカルロシミュレーションで再現することができた。(c) heavily p-doped, n-dopedおよびheavily n-dopedの3種類のSi(111)√3-B基板に作製したBi(110)超薄膜の電子状態に電荷ドーピングの違いがあることをARPESにて系統的に明らかにした。基板のバンドベンディングのBi蒸着に伴う変化が基板ごとに異なっており、界面でのwetting layerを介した電荷のやりとりについて今後詳細を詰める必要がある。