菅原克明 准教授らの研究成果が東北大学からプレスリリースされました。

 

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-

発表のポイント

  • 分子線エピタキシー(Molecular Beam Epitaxy; MBE)法と原子置換(トポタクティック反応)法との独自な組み合わせにより、原子3個分の厚さしかない原子層2硫化バナジウム(VS2)薄膜を作製しました。
  • 原子層VS2では一次元的に電荷が配列していることを発見しました。
  • 従来とは異なる「高次ネスティングベクトル注」によって電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)メカニズムの解明や原子層材料を用いたスイッチングナノデバイスの開発につながると期待されます。

概要

グラフェンや遷移金属ダイカルコゲナイドに代表される低次元の層状物質では、低温で「電荷密度波(CDW)」と呼ばれる電荷配列現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電荷が配列するのかは、多くの物質において未だによくわかっていません。

東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(原子層薄膜)を作製し、その電子構造注をマイクロARPES(Angle-resolved Photoemission Spectroscopy; ARPES)と走査トンネル顕微鏡(Scanning Tunneling Microscopy; STM)を用いて調べました。

その結果、原子層VS2は特殊なCDW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CDWの形成に、従来に比べてちょうど2倍の長さを持つ「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。今回の成果は未だ謎が多い二次元物質におけるCDW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(現地時間)にオンライン掲載されました。

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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)原子層 VS2 の結晶構造。(c)原子置換法による原子層 VS2 の作製手順の模式図。MBE 法により原子層 VTe2 を作製後、S 原子を蒸着原子層 VTe2 を加熱することで、Te 原子が S 原子に置換された結果、原子層 VS2 が得られます。
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図2 (a)マイクロ ARPES の概念図。高輝度紫外線を物質表面に照射して、放出された光電子のエネルギーと運動量を精密に測定することで、物質の電子構 造を決定できます。さらに光のスポットサイズをミクロン単位まで小さくすることで、原子層物質などにおける局所電子構造の決定ができます。(b)STM の概念図。探針と試料間に発生する微弱なトンネル電流を測定することで、表面形状や局所電子状態が観察できます。

論文情報
雑誌名:「npj 2D materials and Applications」
論文タイトル:Charge-density wave associated with higher-order Fermi-surface nesting in monolayer VS2
著者: Tappei Kawakami, Katsuaki Sugawara, Hirofumi Oka, Kosuke Nakayama, Ken Yaegashi, Seigo Souma, Takashi Takahashi, Tomoteru Fukumura, and Takafumi Sato
DOI番号:10.1038/s41699-023-00395-z

リンク
プレスリリース (東北大学Webサイト)

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