Pb系トポロジカル絶縁体のバルク絶縁体化と転位伝導

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トポロジカル絶縁体(TI)の転位伝導や表面伝導の研究に不可欠なバルク絶縁性向上において以下の成果が得られた。表面だけでなく結晶内部の一次元欠陥（転位）においても特殊な伝導状態が発現し得るトポロジカル指数をもつPb-(Bi,Sb)-Te系TIを対象とした。Pb-(Bi,Sb)-Te系については、これまでにBi/Sb比の調整によりバルク絶縁性を向上させ、温度2Kで最大180mΩcm程度の電気抵抗率の試料が得られていた。本年度は、PbTeなどの合金系でバルク絶縁性の向上が報告されているInをドーパントとして選択し、InドーピングによるPb-(Bi,Sb)-Teのさらなるバルク絶縁性の向上を目指した。モル比がPb:In:Bi:Sb:Te=(1-x):x:(0.21×2):(0.79×2):4となるように各元素を秤量し、ブリッジマン法で結晶育成を行った。Sb分率はノンドープ試料で最大の電気抵抗率が得られた0.79に固定し、Inドープ量はx=0.01,0.02,0.04の3通りとした。得られた結晶について粉末XRD測定を行った結果、Inドープ量の増加にしたがって格子定数が減少しており、ドープしたInが析出することなく結晶中に取り込まれていることがわかった。ブリッジマン法で作製した試料は同一仕込み組成、同一ロッド内でも組成の変調、変動があるため、電気抵抗の温度依存性は場所によってばらつきがあるが、その中でも、x=0.02のInドープ試料で2Kにおける電気抵抗率が最大で1Ωcmに達した。これはノンドープPb-(Bi,Sb)-Teと比較し、5倍以上の値である。本成果は、従来表面伝導の研究がされてきたBi-Sb-Te-Se系以外のTIの表面・転位伝導の研究の発展に寄与するものである。