Creation of bismuth layered materials with black phosphorus structure and control of their electronic structures

黑磷结构铋层状材料的制备及其电子结构控制

基本信息

批准号：
20H02617
负责人：
中辻寛
金额：
$ 5.82万
依托单位：
Tokyo Institute of Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
财政年份：
2020
资助国家：
日本
起止时间：
2020-04-01 至 2023-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究では、2次元トポロジカル絶縁体転移が理論予測されている黒リン(BP-like)構造のBi(110)超薄膜を半導体基板上に均一に成長させる条件を見出し、その成長過程・原子構造・電子構造を、走査トンネル顕微鏡(STM)と角度分解光電子分光(ARPES)等の実験手法を用いて詳細に明らかにするため、以下の課題に取り組む。(a) Si(111)傾斜基板を用いたり、成長温度や成長速度を制御したりすることで、回転ドメイン数が少なく膜厚の揃った試料を作製し、電子状態の詳細な測定を行う。(b) Bi(110)超薄膜と基板との界面のwetting layerの原子構造ならびに超薄膜最表面の原子構造を明らかにする。(c) 界面における基板との電荷移動の詳細を明らかにし、Bi(110)超薄膜への電荷ドーピング制御の可能性を検討する。令和3年度は次の成果を得た。(a) フラットSi(111)√3-B基板に100 K程度でBiを蒸着後に室温までアニールする2段階成長においては、蒸着直後にアモルファス状の形態であったBi島が昇温と共にBi(110)超薄膜へと結晶化し、膜厚が4 MLに揃っていく過程をSTMで明らかにするとともに、モンテカルロシミュレーションで再現することができた。(c) heavily p-doped, n-dopedおよびheavily n-dopedの3種類のSi(111)√3-B基板に作製したBi(110)超薄膜の電子状態に電荷ドーピングの違いがあることをARPESにて系統的に明らかにした。基板のバンドベンディングのBi蒸着に伴う変化が基板ごとに異なっており、界面でのwetting layerを介した電荷のやりとりについて今後詳細を詰める必要がある。

在这项研究中，我们发现了在半导体衬底上均匀生长具有黑磷（类BP）结构的超薄Bi(110)薄膜的条件，理论上预测了二维拓扑绝缘体转变，并研究了生长过程・为了利用扫描隧道显微镜（STM）和角分辨光电子能谱（ARPES）等实验技术详细阐明电子结构，我们将解决以下任务。 (a)通过使用倾斜的Si(111)衬底并控制生长温度和生长速率，我们将制造具有少量旋转域和均匀膜厚的样品，并对其电子态进行详细测量。 (b)阐明Bi(110)超薄膜与基底之间界面润湿层的原子结构，以及超薄膜最外表面的原子结构。 (c) 我们将阐明界面处与基底的电荷转移细节，并研究控制超薄 Bi(110) 薄膜中电荷掺杂的可能性。 2021财年，我们取得了以下成果。 (a) 在两步生长过程中，Bi 在约 100 K 下沉积在平坦的 Si(111)√3-B 衬底上，然后退火至室温，Bi 岛在沉积后立即为非晶态，通过STM阐明了Bi(110)结晶成均匀厚度为4ML的超薄膜的过程，并通过蒙特卡罗模拟再现了该过程。 (c) 在三种类型的 Si(111)√3-B 衬底上制备的超薄 Bi(110) 薄膜的电子态存在电荷掺杂差异：重 p 掺杂、n 掺杂和重 n 掺杂。使用 ARPES 系统地阐明了这一点。由于 Bi 蒸发而导致的基板能带弯曲的变化因基板而异，因此有必要在未来研究出通过界面润湿层进行电荷交换的细节。

项目成果

期刊论文数量（13）

专著数量（0）

科研奖励数量（0）

会议论文数量（0）

专利数量（0）

変形黒鱗構造Bi超薄膜の原子スケール成長機構解析

变形黑鳞结构超薄Bi薄膜的原子尺度生长机理分析

DOI：
发表时间：
2020
期刊：
影响因子：
0
作者：
白澤徹郎;Wolfgang Voegeli;荒川悦雄;高橋敏男;潮田亮太;中辻寛;平山博之
通讯作者：
平山博之

Si(110)3×2-Bi表面の構造解析

Si(110)3×2-Bi表面结构分析

DOI：
发表时间：
2021
期刊：
影响因子：
0
作者：
諸貫亮太; 大内拓実; 永友慶; 森井七生; 金野達; 白澤徹郎; 平山博之; 中辻寛
通讯作者：
中辻寛

Electronic structure of Bi(110) ultra-thin films grown on n-type Si(111)√3×√3-B substrates

n型Si(111)√3×√3-B衬底上Bi(110)超薄膜的电子结构

DOI：
发表时间：
2021
期刊：
影响因子：
0
作者：
T. Ouchi; L. Nakamura; K. Takemura; M. Shimura; R. Ushioda; T. Iimori; F. Komori; H. Hirayama;K. Nakatsuji
通讯作者：
K. Nakatsuji

Si(111)表面上における黒燐構造Bi(110)超薄膜の低温蒸着による成長過程

Si(111)表面低温蒸镀超薄黑磷结构Bi(110)薄膜的生长过程