金属単原子層と超薄膜内2次元電子系の電子状態と磁気輸送

金属单原子层和超薄膜中二维电子系统的电子态和磁输运

基本信息

批准号：
05J11823
负责人：
平原徹
金额：
$ 1.15万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2005
资助国家：
日本
起止时间：
2005 至 2006
项目状态：
已结题

项目摘要

1.ビスマス超薄膜の表面状態のスピン分裂の直接観測昨年度はシリコン表面上ビスマス(Bi)超薄膜の高分解能光電子分光測定を行い、その電子状態に関する予備的実験を行った。そして理論計算との比較でビスマスの表面状態バンドが強いスピン軌道相互作用と反転対称性の破れのためRashba型のスピン軌道分裂をしているということが示唆された。本年度は上記の事実を実験的に確認するために広島大学においてBi超薄膜の電子状態のスピン角度分解光電子分光測定を行った。その結果、確かに表面状態バンドが波数空間でスピン分裂していることを直接観測した。理論の予言通り、表面状態のスピン構造はΓ点に対して反対称性を示し、スピン偏極率としては最大で0.5という値が得られた。2.ビスマス超薄膜の表面状態電気伝導これまでの研究でバルクBiは半金属であり電気伝導度が低いが、表面状態は非常によい二次元金属になっていた。つまり輸送特性においても表面状態が大きな寄与を果たしていることが予想される。そこで当研究室の表面敏感なマイクロ4端子電気伝導測定装置を用いて室温下でBi超薄膜の電気伝導度の膜厚依存を測定した。その結果、非常に薄い膜厚(6-10BL)においては表面状態が確かに支配的であるが、膜厚増加とともにバルク(膜内部)の寄与が大きくなることが分かった。この方法で見積もられた表面状態電気伝導度は表面に酸素を暴露して表面状態を壊したときの電気伝導減少分から推定される値とよい一致を示した。さらに詳細なフェルミ面、バンド構造を分かっているのでボルツマン方程式を用いて電気伝導度が計算でき、その解析からも得られたBiの表面状態電気伝導度が妥当であるということが確認できた。そして低膜厚で表面状態電気伝導度の温度依存性を調べたところ300Kから10Kまで金属的な振る舞いを示し、過去に報告されたCDW転移は起こらなかった。

1. 直接观察超薄铋薄膜表面态的自旋分裂去年，我们对硅表面超薄铋（Bi）薄膜进行了高分辨率光电子能谱测量，并对其电子态进行了初步实验。与理论计算的比较表明，由于强烈的自旋轨道相互作用和反演对称性破缺，铋的表面态带发生了Rashba型自旋轨道分裂。今年，为了通过实验证实上述事实，我们在广岛大学对超薄Bi薄膜的电子态进行了自旋角分辨光电子能谱测量。结果，我们直接观察到表面态带确实在波数空间中发生了自旋分裂。正如理论预测的那样，表面态的自旋结构相对于Γ点呈现反对称性，并且获得了最大自旋极化值0.5。 2、铋超薄膜的表面态电导率前期研究表明，块体Bi是半金属，电导率较低，但表面态是二维金属，具有非常好的性能。换句话说，预计表面状态对传输特性有很大贡献。因此，我们利用实验室的表面敏感微型四端电导率测量装置测量了室温下超薄Bi薄膜电导率的厚度依赖性。结果发现，在非常薄的膜厚度（6-10 BL）下，表面态肯定占主导地位，但随着膜厚度的增加，体（膜内部）的贡献增加。通过该方法估算的表面态电导率与通过将表面暴露于氧气而破坏表面态时电导率下降估算的值非常吻合。此外，由于我们知道详细的费米表面和能带结构，我们能够使用玻尔兹曼方程计算电导率，并通过该分析我们确认获得的 Bi 表面态电导率是有效的。当我们研究低膜厚下表面态电导率的温度依赖性时，我们发现从300K到10K它的行为就像金属一样，并且之前报道的CDW转变没有发生。