51探花

【本学研究者情报】

〇大学院理学研究科物理学専攻
准教授　菅原　克明

【発表のポイント】

• 高辉度放射光^（注１）を用いて层状半导体である菱面体硫化ホウ素（以下、谤-叠厂）^（注２）の微小粉状结晶における电子バンドのピンポイント计测に成功し、「粉状材料の测定は困难」という常识を覆した。
• r-BS が異方的有効質量^（注3）を持つ p 型半導体^（注4）であることを明らかにして、新たなエレクトロニクスデバイス开発への道を拓いた。
• 本手法は広范な粉状材料にも适用可能で、电子计测による材料研究の対象を飞跃的に拡大する。

【概要】

　近年、高辉度放射光を用いた電子状態^（注5）の観测により、高温超伝导体やトポロジカル絶縁体などに代表される量子材料における物性解明が大きく进展しています。一方、これまで电子状态の観测対象は大面积の试料（大型単结晶など）に限られるという问题があり、様々な材料の物性研究における障害となっていました。

東北大学、筑波大学、物質?材料研究機構、高エネルギー加速器研究機構、量子科学技術研究開発機構、東京工業大学の共同研究グループは、マイクロメートル（μm）サイズに集光された放射光を用いて、これまで困難とされてきた微小な粉状結晶における電子状態の直接観測に世界で初めて成功しました。具体的には、近年発見され 2 次元材料としての応用が期待されている層状半導体である r-BS の微小粉状結晶にμm 程度に集光された紫外線をピンポイントで照射して、放出された電子のエネルギー状態を新たに開発したマイクロ集光角度分解光電子分光^（注6）（マイクロ ARPES ^注7）装置を用いて精密に観測しました。その結果、r-BS が異方的な有効質量を持つ p 型半導体であることを突き止めました。今回の成果は、r-BS を用いたエレクトロニクスデバイスの開発に貢献するだけでなく、これまで計測が困難だった様々な粉状材料や微粒子における物性研究へのブレークスルーとなります。

本研究成果は、アメリカ化学会発行の学術雑誌 Nano Letters の 2023 年 2 月28 日号で公開されました。

【用语解説】

注 1. 高辉度放射光
ほぼ光速で進む電子が、その進行方向を磁石などによって変えることで発生する非常に明るい電磁波（光）のことです。真空紫外線や X 線など様々な短波長領域の光を含みます。

注 2. 菱面体硫化ホウ素（r-BS）
ホウ素と硫黄から构成される原子４层の厚みの二次元シートが积み重なることでできた层状半导体物质。近年注目されている材料であったがその电子物性は未解明なままでした。

注 3. 異方的有効質量
物质中の电子や正孔は、周囲の原子や电子との相互作用によって、真空中の自由电子の质量に対して见かけ上异なる质量を持っているように振る舞います。この相互作用を取り入れた质量を有効质量と呼びます。この有効质量が运动量の方向に依存して変化する场合を异方的有効质量と呼び、电気伝导に异方性が生まれます。

注 4. p 型半導体
电荷キャリアである电子と正孔（电子の抜けた穴）のうち、正孔が动くことで动作する半导体。

注 5. 電子状態（電子構造）
固体中の电子は、决まった运动量（质量と速度の积）とエネルギーを持つことが知られています。固体中における电子の运动量とエネルギーの関係で描き出された构造を、电子エネルギーバンド构造、または単に「バンド构造」と呼びます。バンド构造は物质の结晶构造や构成元素によって様々に変化し、电気伝导や磁性などの物质固有の性质を决定づけます。

注 6. 角度分解光電子分光（ARPES）
物質の表面に紫外線や X 線を照射すると、表面から電子が放出されます（外部光電効果）。放出された電子は光電子と呼ばれ、その光電子のエネルギーや運動量を測定することで、物質中の電子状態が分かります。その測定手法を角度分解光電子分光（ARPES）と呼びます。この外部光電効果は、1905 年に、アインシュタインの光量子仮説によって理論的に説明されました。

注 7. マイクロ ARPES
ARPES を行う際に用いられる光を、K-B ミラー(2枚の楕円ミラーで光を横方向と縦方向に分けて2次元集光する光学系)などによって 1 点に集光することで、微小試料をμm スケールの空間分解能でピンポイントに測定できます。

详细（プレスリリース本文）

问い合わせ先

（研究に関すること）
东北大学大学院理学研究科物理学専攻
准教授 菅原 克明 （すがわら かつあき）
电话：022-217-6169
贰-尘补颈濒：办.蝉耻驳补飞补谤补*补谤辫别蝉.辫丑测蝉.迟辞丑辞办耻.补肠.箩辫（*を蔼に置き换えてください）

东北大学材料科学高等研究所
教授 佐藤 宇史 （さとう たかふみ）
电话：022-217-6169
贰-尘补颈濒：迟-蝉补迟辞*补谤辫别蝉.辫丑测蝉.迟辞丑辞办耻.补肠.箩辫（*を蔼に置き换えてください）

（报道に関すること）
东北大学大学院理学研究科
広报?アウトリーチ支援室
电话：022?795?6708
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