【本学研究者情報】

〇材料科学高等研究所　教授　佐藤宇史
大学院理学研究科　准教授　菅原克明
研究室ウェブサイト

【発表のポイント】

• 原子数個の厚さしか持たないTaSe₂とNbSe₂の原子層薄膜を作製し、その電子状態の観測に成功
• 原子層TaSe₂とNbSe₂が熱・電子注入・光に対して強いモット絶縁体であることを発見
• 原子層物質における高温超伝導などの物性開拓やモット絶縁体を活用した室温で動作する電子デバイスの実現に道

【概要】

「モット絶縁体」^注1は、普通の絶縁体とは異なり、電子同士が避け合うことで絶縁化し、その近傍で超伝導^注2などの多彩な物性が現れることから、古くから盛んに研究されてきました。その一方で、厚さを極限まで薄くして２次元にしたときに室温でモット絶縁体となる原子層物質は発見されておらず、その性質も未解明でした。東北大学材料科学高等研究所（AIMR）の佐藤宇史教授、大学院理学研究科の菅原克明准教授、AIMRの岡博文助教、福村知昭教授、台湾の国家同歩輻射研究中心（NSRRC）および中国清華大学の国際共同研究グループは、分子線エピタキシー法^注3を用いて２セレン化タンタル（TaSe₂）および２セレン化ニオブ（NbSe₂）原子層薄膜を作製し、その電子構造をマイクロARPES（角度分解光電子分光）^注4やSTM（走査トンネル顕微鏡）^注5などによって調べました。その結果、モット絶縁体状態が様々な外的刺激（熱・光照射・キャリア注入）を受けても極めて強固に保たれていることを明らかにしました。今回の成果は、グラフェンを超える新たな原子層薄膜の物質開拓やそのデバイス化に大きく貢献するものです。

　本研究成果は、ネイチャー系英国科学誌Nature Communicationsの2021年10月7日号で公開されました。

【用語解説】

注1　モット絶縁体
電子間に働く斥力相互作用によって、電子が原子の周りに局在して絶縁体となったものです。

注2　超伝導
温度を下げることで電気抵抗がゼロになる現象。超伝導状態ではジュール熱によるロス無しに電流を運ぶことができます。

注3　分子線エピタキシー法
超高真空槽内に設置したいくつかの蒸着源を用いて材料を加熱などより蒸発させ、対向した基板上に薄膜を堆積させる手法です。膜厚を原子レベルで制御した高品質の単結晶薄膜が作製できます。半導体などのデバイス開発に必須な薄膜作製法の一つです。

注4　ARPES（角度分解光電子分光）
物質の表面に紫外線やX線を照射すると、表面から電子が放出されます(外部光電効果)。放出された電子は光電子と呼ばれ、そのエネルギーや運動量を測定することで、物質中の電子状態が分かります。光電効果は、1905年に、アインシュタインの光量子仮説によって理論的に説明されました。

注5　STM（走査トンネル顕微鏡）
先が非常に鋭い探針(プローブ)を試料表面に接近させ、プローブと試料表面間に電圧をかけるとトンネル電流が流れます。この微弱なトンネル電流の空間分布を観測することで、表面構造や局所電子状態が分かる実験手法です

詳細（プレスリリース本文）

問い合わせ先

＜研究に関すること＞
東北大学材料科学高等研究所
教授　佐藤　宇史　（さとう　たかふみ）
電話：022-217-6169
E-mail：t-sato*arpes.phys.tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）

東北大学大学院理学研究科物理学専攻
准教授　菅原　克明　（すがわら　かつあき）
電話：022-217-6169
E-mail：k.sugawara*arpes.phys.tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）

＜報道に関すること＞
東北大学材料科学高等研究所
広報戦略室
電話：022-217-6146
E-mail：aimr-outreach*grp.tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）