放射光第巻第号

()放射光ニュース
新博士紹介
堀場弘司（理研/SPring-8）

.

氏名

.

論文提出大学.

学位種類

博士（工学）

.

取得年月日

2003年 3 月

.

題目

東京大学

Synchrotron Radiation Photoemission Study ofMetal-Insulator Transitions in Transition Metal
Compounds （放射光光電子分光による遷移金属化合物の金属―絶縁体転移に関する研究）.

使用施設（ビームライン）KEKPF BL1C, 2C, 20A

.

要旨
本研究では，CDW 転移に伴う金属―絶縁体転移を示す

Figure 1. Angle-resolved photoemisson spectra of 1TTaSe2 along(a) GM and (b) GK k// directions, and (c) GA k⊥ direction.

1T TaSxSe2－x と， 2 重交換相互作用による金属―絶縁体転移を示す強相関酸化物 La1－xSrxMnO3 という 2 つの系を対象とし，その物性の起源を解明するため，放射光を用いた高分解能光電子分光を用いて，転移点近傍における電子状態の系統的な変化の直接観察を行った。
角度分解光電子分光による 1TTaSxSe2－x の電子状
態
遷移金属ダイカルコゲナイド 1TTaSxSe2－x は高い 2 次元性を有し， CDW 転移に伴う物性に興味が持たれている。本来 2 次元系の CDW 転移はフェルミ面のネスティングが不完全であるために CDW 状態においても系は金属性を有することが知られているが， 1T TaSxSe2－x は x ＝1.2 と x ＝ 1.5 の間で金属―絶縁体転移を示す。その絶縁性の起源は， Mott 局在によるというモデルと，層間の 3 次元的相互作用によるというモデルが提案されているが，未Figure 2. Angle-integrated photoemission spectra in the CCDW
phase at 30 K of x＝0, 1.2, and 1.5 in 1TTaSxSe2－ x system, which isobtained by adding up all angle-resolved spectra from 0°to 24°
along both of GM and GK directions.

だ解明されていない。
そこで本研究では，まず 1T TaS2 との比較によりその金属―絶縁体転移の起源を探るため，金属的挙動を示す± 0.25 Å－1 付近でフェルミ準位を横切り， G 点で最もフSe エンドの 1T TaSe2 について，角度分解光電子分光にェルミ準位から離れるようなもう 1 本のバンドが観測さより詳細な電子状態の解析を行った。 Fig. 1 に角度分解れた。このことから， 1T TaSe2 は CDW 状態において光電子分光の結果を示す。実験的に得られた結晶表面に平も，無視できない大きさの 3 次元的な層間相互作用を有行方向のバンド構造においては，Ta 5d に由来するバンドしていることがわかる。一方 1T TaS2 においてはこのよが CDW の超周期構造により 0.2 eV 付近と 0.8 eV 付近のうな垂直方向のバンド分散は確認されないことから，層間2 本のサブバンドに分裂している様子が確認出来る。まの 相互作用 は非常 に小さい といえる 。この ことは 1T た，フェルミ準位を明瞭に横切るバンドは確認出来ない

TaS2 の絶縁性が層間のダイマリゼーションによって起こが，フェルミ準位に有限の大きさの電子状態密度が存在しるという描像に対して否定的である。一方層間相互作用のている様子も見て取れる。これは N. V. Smith らによって増大は p d 混成の増大によって引き起こされると考えらなされた，CDW の超周期構造によりバンドが折りたたまれ，それによって面内のクラスター間のトランスファーもれることを考慮した理論計算の結果と定性的に良い一致を増大すると考えられるので，この結果は Mott 局在の描像

示 し て い る 。 こ の こ と は 1T TaSe2 の バ ン ド 構 造 が ，に矛盾しない。

CDW の超周期構造により折りたたまれた Ta 5d バンドの描像で基本的に理解できることを示している。

本研究では，更に金属―絶縁体転移近傍の電子状態の変化からその物性の起源を探るため，転移点近傍の両組成で1TTaSe2 の結晶表面に垂直な方向のバンド分散（Fig.

ある x ＝ 1.2 と x ＝ 1.5 について角度分解光電子分光を行っ1 (c ））においては，平行方向のバンド構造と同様の， 0.2た。 Fig. 2 に角度分解光電子スペクトルを足し合わせてeV 付近と0.8 eV 付近の 2 本の平坦なバンドの他に，k⊥＝得られた角度積分光電子スペクトルを示す。絶縁体相の x――(C) 2003 The Japanese Society for Synchrotron Radiation Research

放射光第巻第号()＝ 1.5 の試料においてはフェルミ準位に約 60 meV 程度のギャップが存在し，フェルミ準位近傍の下部ハバードバンドに由来すると考えられるピーク強度が大きく増大している。一方で，金属相の x ＝ 1.2 の試料においては，フェルミ準位にギャップは観測されなかったが，フェルミ準位近傍には下部ハバードバンドの名残と思われるピークが観測された。これらの電子状態はモット転移の描像に良く一致し，この系の金属―絶縁体転移がモット局在によるということを強く示唆するものである。
in situ 放射光光電子分光による La1－xSrxMnO3 薄膜の電子状態

Figure 3. Schematic drawing of the developed ``in situ ARPES
laser MBE'' system.

ペロブスカイト型 Mn 酸化物 La1－xSrxMnO3 は，超巨大磁気抵抗効果やハーフメタリック等，非常に特異な物性を示す。この物質の物性の起源を解明するため，光電子分光を用いた電子状態の研究が盛んに行われている。しかしながら，光電子分光で観測されるフェルミ準位近傍における状態密度の抑制は，試料表面の disorder 等の本質的でない要因に起因するという指摘もなされている。 La1－xSrx

MnO3 のような劈開面のない 3 次元物質においては，これまでヤスリがけや破断といった表面状態が定義出来ない試料表面清浄法が用いられており，それに起因すると考えられる様々な解釈の食い違いが生じていた。また，劈開面がFigure 4. High-resolution Mn 2p3d resonal photoemission spectra near Fermi level at 12 K.

ないために，従来の表面処理法では面方位のそろった単結晶表面を得ることが不可能であったため，角度分解光電子分光によるバンド構造の報告例が存在しなかった。このような問題を解決するために，我々は光電子分光装置とコンビナトリアルレーザー MBE 装置を超高真空中で連結した複合 装 置 の開 発 を行 っ た 。 Fig. 3 に 装 置 の模 式 図を 示す。レーザー MBE により表面を原子レベルで制御した試料を作製し，試料評価槽において表面状態を評価した後，光電子測定槽に搬送する。光電子分光装置の性能としては，到達真空度 3 × 10－11 Torr ，試料温度 12 K ～ 400 K ，を達成した。
エネルギー分解能 6 meV，角度分解能0.2°

Fig. 4 に，本装置を用いて得られた，表面を原子レベルで清浄化した La0.6Sr0.4MnO3 薄膜の Mn 2p 3d 共鳴領域における高分解能光電子スペクトルを示す。従来の表面処理をしたバルク試料のスペクトルとは異なり，明確なフFigure 5. (a) In situ angle-resolved photoemission spectra of La0.6
Sr0.4MnO3 thin ˆlms. (b) Experimental band structure of the GX
direction of the La0.6Sr0.4MnO3 thin ˆlms determined by the present
angle-resolved photoemission spectra.

ェルミ端が観測されており，従来の光電子スペクトルにおけるフェルミ準位近傍の状態密度の抑制は表面の disorderによるところが大きいということを示唆している。

初めて実験的にバンド構造を決定することに成功したといえる。本手法を用いることにより，他の 3 次元物質の強更に本装置を用いることにより，表面を原子レベルで制御した強相関酸化物試料の in situ 角度分解光電子分光測

相関酸化物においても角度分解光電子分光が可能となり，更なる物性の理解が期待されると考えられる。

定が可能になった。 Fig. 5 (a )に励起光のエネルギーを変化させて得られた La0.6Sr0.4MnO3 薄膜の in situ 角度分解

参考文献

光電子スペクトルを示す。2～5 eV 付近に明瞭な分散が見1)2)3)4)られ，角度分解に成功していることを示している。Fig. 5(b )はスペクトルから決定されたバンド構造で，黒い部分

N. V. Smith et al.: J. Phys. C 18, 3175 (1985).
K. Horiba et al.: Phys. Rev. B 66, 073106 (2002).
K. Horiba et al.: Surf. Rev. Lett. 9, 1085 (2002).
K. Horiba et al.: Rev. Sci. Instrum. 74, 3406 (2003).

がエネルギーバンドに対応している。すなわち，従来の手法では困難であった 3 次元物質 La1－xSrxMnO3 において，――（受付番号）