様式３R1570

二次元光電子分光による準結晶表面の価電子帯観測
Valence band observation of the quasi-crystal surface by two-dimensional
photoelectron spectroscopy
深見駿 a, 田中 一光 a, 米田 允俊 a, 田口 宗孝 a, 滝沢 優 b,大門 寛 a
Shun Fukamia, Ikko Tanakaa, Masatoshi Yonedaa, Munetaka Taguchia,
Masaru Takizawab, Hiroshi Daimon a,
奈良先端大 物質創成, b 立命館大学
Nara Institute of Science and Technology , bRitsumeikan Universityaa

準結晶に見られる特異な電子状態は、球形に近いブリルアンゾーンがフェルミ面と接していることがその起源ではないかといわれており、準周期的な構造および高い結晶対称性に由来している。
しかし、その詳細については未解明な点が多い。本研究では、代表的な準結晶物質である 10 回対称性を有する AlNiCo 準結晶(バルク)、および Pt(111)基板上に成長させた BaTiO3 超薄膜に注目し、光電子分光(UPS)測定および二次元光電子放出角度分布(2D-ARPES)測定を行った。本実験で、BaTiO3薄膜の LEED パターンおよび価電子帯スペクトルの取得に成功した。
Structure and high crystal symmetry peculiar to a quasicrystal are related to its specific electronic state.
This origin has been interpreted as sphere like Brillouin zone that interacts with Fermi surface. In this study,
we tried to take the 2D-Angle Resolved Photoelectron Spectroscopy (2D-ARPES) of AlNiCo quasicrystal
having ten-fold symmetry and BaTiO 3 atomic layer on Pt(111) having twelve-fold symmetry. We succeeded
to obtain a valence band spectrum and LEED pattern of BaTiO3 atomic layer.
Keywords: Quasi-crystal, Pseudo-gap, thin-film, 2D-ARPES
背景と研究目的：
準結晶の特徴である非常に低い電導性の起源として、フェルミ準位での大幅な電子状態の落ち込み(擬ギャップ)が関係していると考えられてきた。この特異な電子状態は、準結晶特有の準周期的な構造および高い結晶対称性が関係しており、球形に近いブリルアンゾーンとフェルミ面が接していることがその起源であると解釈されている。[1]また、近年 Förster[2]らは、Pt(111)基板上にBaTiO3 の超薄膜を作成し、この薄膜が周期的な構造に加え、準周期的な構造を有することを明らかにした。このような準周期的な構造は、他の系における周期的な構造の界面においても観察される可能性があることが示唆されている。しかし、BaTiO3 に代表される準周期系超薄膜の電子状態などは、未解明であり、上記の観点から、詳細に調べる必要がある。
本研究では、代表的な準結晶物質である 10回対称性を有する AlNiCo 準結晶(バルク)、および Pt(111)基板上に成長させた BaTiO3 超薄膜に注目し、光電子分光(UPS)測定および二次元光電子放出角度分布(2D-ARPES)測定を行い、超高真空下のおける試料表面の詳しい電子状態の測定を試みた。
実験：
試料清浄化
・準結晶試料AlNiCoは以下の手順で、表面清浄化を行った。
(1)Ar雰囲気下における40時間以上のスパッ
ター(雰囲気圧:3.0×10-3Pa，Energy :3.0 keV ,試料電流：0.5～0.6 μA)(2)700Kでのアニール(10分～15分程度)(3)各手順ごとにAESおよびLEEDでの表面確
認・準結晶超薄膜BaTiO3は以下の手順で、表面清浄化を行った。
(4)真空度を保ちつつ、600Kでの試料の出ガス。
(5) Cを取り除くため、5.0×10-4PaのO2雰囲下で900Kでのアニール(5分～10分程度)(6) 1000Kでのアニール(1分～5分程度)

様式３

結果および考察：ⅰ.AlNiCo
40 時間の Ar スパッターの後、AES により試料表面の元素分析を行ったところ、明確なNi,および Co 由来のピークが出現した。スパッターを更に 10 時間程度加えて行ったとこ
ろ C 由来のオージェピークは完全に消えたが、Ni および Co 由来のピークの強度が減り、LEED パターンは確認されなかった。更にアニールを 700K 付近で 10 分間程度行い、AES測定を行ったところ Co および Ni のピークが消え C 由来のピークが復活した。結果的に、
AlNiCo 準結晶では清浄表面を得ることはできなかった。この原因として、アニール中の脱ガスの影響により、試料表面が汚染されていたことが考えられる。今後、真空度の向上および試料の研磨により、AlNiCo 準結晶の清浄化を十分に行った後、再度従来の方法で試料の表面清浄化を行いたい。
ⅱ. BaTiO3 薄膜(4)～(6)までの清浄化手順を行い LEED 測定を行った。結果、明瞭ではないが準結晶由来と思われるスポットが確認された。そこで、二次元分光器 DIANA を用いて UPS 測定を行った。光のエネルギーは hν= 40 eV に設定した。結果を、図 1 に示す。価電子帯近傍において、Pt(111)由来と考えられる鋭いフェルミ端が確認できた。また、先行研究から、ピー
ク A および B は、主に Ti 3d と混成した O2pによるものであることがわかっている。更に、
B.E=10eV 付近に現れるピークは、O 欠陥由来と言われている[3]。
そこで、A および B で 2D-ARPES(バンド分散)測定を行った。結果を図 2 に示す。カメラ位置の不具合により、スクリーン左半分のみが観測された。これらのパターンは、各ピークの画像から background を取り除いたものである。これらの処理は、以下の手順で行った。

O 欠陥？
Pt5p

Intensity arb.units

なお、試料をアニールするためのヒータとしてSiウエハーを用いた。また、BaTiO3の測定
では、試料の温度測定を行うために放射温度計(MODEL KTL-P1)を用いた。
上記の試料清浄化および測定は全て立命館
SRセンターBL-07(DIANA)にて行った。
実験条件
光のエネルギーをhν = 40 eVに設定し、価電子帯の光電子スペクトルを測定した。その後、得られたピークのそれぞれのエネルギーにおいて2D-APRESの測定を行った。

BA

A,B : Ti 3d と混成した O2p ピーク[3]-202468B.E(eV)
(eV)
B.E

101214図.1 UPS 測定結果

図 2 .2D-ARPES 測定結果(左:A 右:B)
① B.E=-0.7 eV 以下の範囲を積算して平均化したものを全体から差し引く② 差し引いた画像で平均化したパターンで、各ピークトップの画像から差し引く。
ここで、両者を比較すると、コントラストに差が生じているのが分かる。しかし、明確なバンド分散形状は現段階ではどちらのピーク画像からも確認できなかった。
以上より、今回得られた UPS 結果からは特徴的なバンド分散を得ることはできなかった。
今回、原因の 1 つとして、DIANA スクリーンにおいて光電子の強度が強い部分が帯のようになっていることから、DIANA の調整が必要なことが判明した。また、試料の清浄化方法も再検討する必要がある。したがって、今後、
DIANA の精密な調整および試料の清浄化を完璧に行い、明確なパターンの取得を目指す。
参考文献[1]T. Suzuki et al. Physical Review B.72 (2005).
115427-1.
[2]Stefan Förster, Klaus Meinel,Ren Hammer, Martin Trautmann and WolfWiddra.Nature. 502 (2013) 215.
[3]T. Higuchi et al., JJAP 38, 5667 (1999).