ナノスケールサイズのトポロジカル絶縁体の電子構造と電気伝導性に関する理論研究

点击翻译按钮获取中文摘要

一定のエネルギーギャップをもつトポロジカル絶縁体に分類される物質はエッジ、界面、表面は金属の性質を示す。2008年に最初にこの物性を示す系はBixSb1-x系で報告された。それ以降、Bi2Se3, Bi2Te3, Sb2Te3でも同様の報告がある。トポロジカル絶縁体は非縮退状態の表面状態を持つため、散逸の無い電子デバイスやスピントロニクスへの応用が考えられている。Bi2Te3は性能指数ZTがほぼ1であることが知られていることから、熱電材料として有望な系と考えられる。薄膜状のトポロジカル・インシュレーターの電子的振る舞いを理解するため、1から9層のBi2Se3薄膜の電子状態の層数依存性を検討した。3層以上では、バルクと同様のバンドギャップ値を持ち、表面に伝導状態が見られた。それより薄い場合には半導体的性質を示した。これらの状態は2つの表面の電子状態の混成によって起こる。対称で支持基板等のないBi2Se3薄膜のスピン分極表面は、反対側の表面の逆方向スピン成分と結合し、同一量子数宇のバンドクロシングを避けてディラック点での混成ギャップを形成する。外部からの圧力は、鏡映対称性保持の仮定の下で岩塩構造のIV-VI系半導体カルコゲナイド(PbTe、PbSe)に対してトポロジカル相転移を誘起する。今回の研究結果から、鉛カルコゲナイトの基本バンドギャップは外圧によって減少し、特定の圧力で消滅し、その後、反転バンドとなることが判明した。FCC構造が維持される限り、このバンド反転は金属的表面状態を引き起こす。