ディラック半金属薄膜の超高品質化とトポロジカル量子輸送現象の究明

提高狄拉克半金属薄膜的质量并研究拓扑量子输运现象

基本信息

批准号：
18J22132
负责人：
中澤佑介
金额：
$ 1.79万
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：
2018
资助国家：
日本
起止时间：
2018-04-25 至 2021-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

Cd3As2の電子状態の非自明性は、大きなスピン軌道相互作用を起源とするバンド反転に由来するが、このバンド反転エネルギーを増大させることにより、カイラル異常等のトポロジカル半金属の非自明な量子輸送現象の変調や、量子閉じ込め効果による量子化スピンホール絶縁体状態の実現などが期待できる。化学置換は電子構造制御の代表的な手法であるが、Cd3As2における化学置換は非常に困難であるため報告例は限定的であり、特に、スピン軌道相互作用およびバンド反転量を減少させる、ZnやPによる化学置換に限られていた。バルク試料の合成法と比較し、分子線エピタキシー法は熱的非平衡状態での試料合成が可能であるため、Cd3As2に化学置換を施す手法としてより効果的であると考えられる。そこで本年度は、Cd3As2のバンド反転量の増大を企図し、スピン軌道相互作用の大きいSbによって化学置換を施した、Cd3As2薄膜を作製し、その量子輸送特性の評価を行った。分子線エピタキシー法を用いることにより、これまでに報告例のないCd3(As1-ySby)2薄膜について、置換量が系統的に異なる単結晶薄膜試料が得られた。輸送特性については、Sb置換量の増大に対して、n型からp型へのキャリアタイプの系統的な変調に加え、磁気抵抗測定において弱反局在効果の顕在化が観測された。これを二次元および三次元の弱反局在効果のモデルを用いて解析することにより、各Sb置換量におけるスピン軌道散乱確率の評価を行った結果、Cd3As2におけるスピン軌道散乱確率が大きく増大することが確認された。また、Sb置換によるバンド反転エネルギーの増大量を推定し、キャリア密度から算出されたフェルミ準位との比較を行った結果、Sbによる化学置換により、Cd3As2のフェルミ準位をバンド反転領域内に調整することが可能であることを示す結果が得られた。

Cd3As2电子态的非平凡性源于大自旋轨道相互作用产生的能带反转，但通过增加这种能带反转能量，可以防止手性异常等拓扑半金属的非平凡量子输运现象。由于量子限制效应，量子化自旋空穴的调制和量子化自旋空穴绝缘体态的实现。化学取代是控制电子结构的典型方法，但由于Cd3As2的化学取代极其困难，因此用P进行化学取代的报道有限。与批量样品合成方法相比，分子束外延被认为是化学替代 Cd3As2 的更有效方法，因为它允许在热非平衡条件下合成样品。因此，今年，为了增加Cd3As2的能带反转量，我们制备了具有大自旋轨道相互作用的Sb化学取代Cd3As2薄膜，并评估了其量子输运特性。通过分子束外延，我们获得了对Cd3(As1-ySby)2薄膜进行系统不同取代量的单晶薄膜样品，这是以前从未报道过的。关于输运特性，除了随着 Sb 取代量的增加载流子类型从 n 型到 p 型的系统调制之外，在磁阻测量中还观察到微弱的反局域效应。通过使用二维和三维弱反局域效应模型进行分析，我们评估了每种 Sb 取代量的自旋轨道散射概率，发现 Cd3As2 中的自旋轨道散射概率显着增加。此外，我们估计了由于 Sb 取代而导致的能带反转能量的增加量，并将其与根据载流子密度计算出的费米能级进行了比较。结果，Sb 的化学取代将 Cd3As2 的费米能级调整到了能带反转区域内结果表明，这样做是可能的。

项目成果

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专著数量（0）

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会议论文数量（0）

专利数量（0）

Enhancement of spin-orbit coupling in Dirac semimetal Cd3As2 films by Sb doping

DOI：
10.1103/physrevb.103.045109
发表时间：
2021-01
期刊：
影响因子：
0
作者：
Y. Nakazawa;M. Uchida;S. Nishihaya;M. Ohno;Shin Sato;M. Kawasaki
通讯作者：
Y. Nakazawa;M. Uchida;S. Nishihaya;M. Ohno;Shin Sato;M. Kawasaki

Sbドープしたディラック半金属Cd3As2薄膜におけるスピン軌道相互作用の増大

Sb 掺杂狄拉克半金属 Cd3As2 薄膜中增强的自旋轨道相互作用

DOI：
发表时间：
2020
期刊：
影响因子：
0
作者：
中澤佑介;打田正輝;西早辰一;大野瑞貴;佐藤慎;川﨑雅司
通讯作者：
川﨑雅司

Quantum transport properties of Cd3As2 films with low carrier density

低载流子密度Cd3As2薄膜的量子输运特性

DOI：
发表时间：
2019
期刊：
影响因子：
0
作者：
Y. Nakazawa;M. Uchida;S. Nishihaya;S. Sato;M. Kawasaki
通讯作者：
M. Kawasaki

Molecular beam epitaxy of three-dimensionally thick Dirac semimetal Cd3As2 films

DOI：
10.1063/1.5098529
发表时间：
2019-07
期刊：
APL Materials
影响因子：
6.1
作者：
Y. Nakazawa;Masaki Uchida;S. Nishihaya;Shin Sato;Aiko Nakao;J. Matsuno;Masashi Kawasaki;Masashi Kawasaki
通讯作者：
Y. Nakazawa;Masaki Uchida;S. Nishihaya;Shin Sato;Aiko Nakao;J. Matsuno;Masashi Kawasaki;Masashi Kawasaki

分子線エピタキシー法により作製したCd3As2薄膜の量子輸送特性

分子束外延制备Cd3As2薄膜的量子输运特性