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

黑磷结构铋层状材料的制备及其电子结构控制

• 批准号: 20H02617
• 负责人: 中辻 寛
• 金额: $ 5.82万
• 依托单位: Tokyo Institute of Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• 财政年份: 2020
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2020-04-01 至 2023-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20H02617/
• 关键词: 表面・界面物性; 低次元電子物性; 表面原子構造; 表面電子状態; ビスマス超薄膜

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。

In this study, the conditions for uniform growth of Bi(110) ultra-thin films on semiconductor substrates were found by theoretical prediction of two-dimensional dielectric transition, growth process, atomic structure, electronic structure, investigation of optical microscopy (STM) and angle resolution photoelectron spectroscopy (ARPES). (a)Si(111) tilt substrate application, growth temperature and growth rate control, return number, film thickness and sample preparation, detailed measurement of electronic state (b)The atomic structure of the wetting layer at the interface between Bi(110) ultra-thin films and substrates and the atomic structure of the outermost surface of Bi(110) ultra-thin films are clearly defined. (c)Detailed description of charge transfer at the interface between the substrate and the Bi(110) ultrathin film and the possibility of charge transfer control are discussed. The results of the third year were achieved. (a)Si(111)√3-B substrate at 100 K. Bi is evaporated at room temperature. 2-step growth. Bi is evaporated at room temperature. 2-step growth. 2-step growth. 3-step evaporation. 2-step evaporation. 3-step evaporation. 4-step crystallization. 4-step crystallization. 3-step crystallization. 4-step crystallization. 4-step crystallization. 3-step crystallization. 4-step crystallization. 3-step crystallization. 3-step crystallization. 4-step crystallization (c)The electronic state of Bi(110) ultra-thin films fabricated on Si(111)√3-B substrates with three types of heavily p-doped, n-doped and heavily n-doped Si(111)√3-B substrates was investigated. The substrate has a different wetting layer, and the interface has a different wetting layer.

项目成果

Electronic structure of Bi(110) ultra-thin films grown on n-type Si(111)√3×√3-B substrates

n型Si(111)√3×√3-B衬底上Bi(110)超薄膜的电子结构

• 发表时间: 2021
• 作者: T. Ouchi;L. Nakamura;K. Takemura;M. Shimura;R. Ushioda;T. Iimori;F. Komori;H. Hirayama and K. Nakatsuji
• 通讯作者: H. Hirayama and K. Nakatsuji

Si(111)表面上における黒燐構造Bi(110)超薄膜の低温蒸着による成長過程

Si(111)表面低温蒸镀超薄黑磷结构Bi(110)薄膜的生长过程

• 发表时间: 2021
• 作者: 志村舞望;潮田亮太;中辻寛;平山博之
• 通讯作者: 平山博之

二段階成長における平坦な黒燐構造Bi(110)超薄膜の成長過程

两步生长平坦黑磷结构Bi(110)超薄膜的生长过程

• 发表时间: 2022
• 作者: 志村舞望;潮田亮太;中辻寛;平山博之
• 通讯作者: 平山博之

Si基板上における低温蒸着した黒燐構造Bi超薄膜の室温アニールによる成長過程

室温退火在硅衬底上低温沉积超薄黑磷结构Bi薄膜的生长过程

• 发表时间: 2021
• 作者: 志村舞望;潮田亮太;中辻寛;平山博之
• 通讯作者: 平山博之

Si(110)3×2-Bi表面の構造解析

Si(110)3×2-Bi表面结构分析

• 发表时间: 2021
• 作者: 諸貫亮太;大内拓実;永友慶;森井七生;金野達;白澤徹郎;平山博之;中辻寛
• 通讯作者: 中辻寛