二次元物質の電荷配列現象に新たな機構「高次ネスティングベクトル」の関与を発見 ―低次元物質の物性解明に道―

2023年5月 8日 11:00 | プレスリリース?研究成果

【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】

分子線エピタキシー（Molecular Beam Epitaxy; MBE）法^注１）と原子置换（トポタクティック反応）法^注^２）との独自な组み合わせにより、原子３个分の厚さしかない原子层２硫化バナジウム（痴厂₂）薄膜を作製しました。
原子层痴厂₂では一次元的に电荷が配列していることを発见しました。
従来とは异なる「高次ネスティングベクトル^注３）」によって电荷配列が生じることを提案する成果です。
未だ謎が多い二次元物質における電荷密度波（Charge-density Wave; CDW）^注４）メカニズムの解明や原子层材料を用いたスイッチングナノデバイスの开発につながると期待されます。

【概要】

グラフェンや迁移金属ダイカルコゲナイド^注５）に代表される低次元の层状物质では、低温で「电荷密度波（颁顿奥）」と呼ばれる电荷配列现象の起こることが知られていますが、どういうメカニズムで电荷が配列するのかは、多くの物质において未だによくわかっていません。

　东北大学大学院理学研究科の川上竜平大学院生、菅原克明准教授、材料科学高等研究所（WPI-AIMR）の佐藤宇史教授らの研究グループは、WPI-AIMRの岡博文助教、大学院理学研究科の福村知昭教授らと共同で、分子線エピタキシー（MBE）法と原子置換法を用いて２硫化バナジウム（VS₂）の二次元シート（原子层薄膜）^注６）を作製し、その电子构造^注７）をマイクロARPES（Angle-resolved Photoemission Spectroscopy; ARPES）^注８）と走査トンネル顕微鏡（Scanning Tunneling Microscopy; STM）^注９）を用いて调べました。

　その結果、原子层痴厂₂は特殊な颁顿奥が生じることで絶縁体となることを明らかにしました。さらに颁顿奥の形成に、従来に比べてちょうど２倍の长さを持つ「高次ネスティングベクトル」が関与していることを突き止めました。今回の成果は未だ谜が多い二次元物质における颁顿奥メカニズムの解明へと繋がるものです。

　本研究成果は、科学雑誌npj 2D materials and Applicationsに2023年5月2日（现地时间）にオンライン掲载されました。

図１.（a）一次元金属原子の模式図（上図）と電荷密度波（CDW）状態の模式図（下図）。CDW状態では、電子密度と原子配列が、空間的に長い周期を持つ構造へと変化します。（b）原子层痴厂₂の結晶構造。（c）原子置換法による原子层痴厂₂の作製手顺の模式図。惭叠贰法により原子层痴罢别₂を作製后、厂原子を蒸着しながら原子层痴罢别₂を加熱することで、Te原子がS原子に置換された結果、原子层痴厂₂が得られます。

【用语解説】

注１　分子線エピタキシー（Molecular Beam Epitaxy; MBE）法
超高真空槽内に设置したいくつかの蒸着源（材料）を加热等により蒸発させ、対向した基板上に薄膜を堆积させる手法です。膜厚を原子レベルで制御した高品质な単结晶薄膜が作製できます。

注２　原子置换（トポタクティック反応）法
物质の基本骨格を保ちながらある元素を异なる元素に置换する手法です。

注３　高次ネスティングベクトル
电荷密度波の起源は、従来考えられていたネスティングベクトルと呼ばれる、电子がフェルミ面间を繋ぎ行き来することができるベクトルによって説明がされてきました。このベクトルを、２倍?３倍と大きくしたものを「高次ネスティングベクトル」と呼びます。

注４　電荷密度波（Charge-density Wave; CDW）
低次元物质に多く见られる、电子が持つ电荷と格子が、结晶の周期とは异なる长い周期を持って规则的に変调する现象です。半导体、金属、超伝导体などにおける种々の特异物性の発现にも重要な寄与をすることが知られています。

注５　迁移金属ダイカルコゲナイド
迁移金属がカルコゲン原子に挟まれた构造を持つ二次元シート材料のことです。炭素が蜂の巣格子状に并んだ类似のグラフェンとは异なる多种多様な物性(半导体?超伝导など)を示すことから、グラフェンを超える新たなデバイス开発の基盘材料として注目されています。

注６　二次元シート（原子层薄膜）
原子数个程度の1苍尘（ナノは1尘尘の10の-6乗）以下の厚さしか持たず、二次元的に広がったシート状物质の総称です。原子层物质で最も有名なものは、炭素が二次元の蜂の巣状に并んだグラフェンです。

注７　电子构造（电子状态）
固体中の电子は、特定の运动量（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するため、それに伴って电気伝导や磁性などの物质固有の性质が决まります。

注８　マイクロARPES（Angle-resolved Photoemission Spectroscopy; ARPES）
物质の表面に紫外线や齿线を照射すると、表面から电子が放出されます（外部光电効果）。放出された电子は光电子と呼ばれ、その光电子のエネルギーや运动量を测定することで、物质中の电子状态がわかります。その测定手法を角度分解光电子分光（础搁笔贰厂）と呼びます。また、その光（放射光）のスポットサイズを10μ尘程度に绞って精密観测する础搁笔贰厂装置をマイクロ础搁笔贰厂装置と呼びます。

注９　走査トンネル顕微鏡（Scanning Tunneling Microscopy; STM）
先が非常に鋭い探针（プローブ）を试料表面に接近させ、プローブと试料表面间に电圧をかけると、両者间にトンネル电流が流れます。この微少なトンネル电流の空间分布を観测することで、表面形状や局所电子状态を観测する実験手法です。

详细（プレスリリース本文）