助成番号
研 究 成 果 報 告 書（国立情報学研究所の民間助成研究成果概要データベース・登録原稿）
研究テーマ（和文） ＡＢ

高速動作スピンデバイス実現に向けた新奇トポロジカル絶縁体スピン偏極材料の開発

研究テーマ（欧文） ＡＺ

Fabrication of the novel topological crystalline insulator material for realizationof the high-speed spin-device.

研究氏
代表名者

ｶﾀｶﾅ ＣＣ姓） アキヤマ名） リョウタ

研究期間 Ｂ

２０１３～ ２０１４ 年

漢字 ＣＢ

秋山了太

報告年度 ＹR

２０１４年

Ryota

研究機関名

筑波大学

ﾛｰﾏ字 ＣＺ Akiyama

研究代表者 ＣＤ所属機関・職名

筑波大学 助教 秋山 了太

概要 ＥＡ (600 字～800 字程度にまとめてください。)
本研究ではトポロジカル結晶絶縁体である SnTe を扱っている。トポロジカル結晶絶縁体は、トポロジカル絶縁体の一種で、スピンがロックされたディラックコーン状の表面状態を持ち、キャリア質量が 0 で移動度が極めて高いなどの基本的な特徴はトポロジカル絶縁体と同じである。しかし、トポロジカル表面状態をもたらす反転対称性は、トポロジカル絶縁体では時間反転対称性なのに対し、トポロジカル結晶絶縁体は空間鏡像対称性であることが大きく違う。そのため、空間構造対称性を崩さないように磁性元素添加することで磁性を持ったトポロジカル結晶絶縁体を作製できる可能性があるなど、応用面においても期待が持てる物質である。本研究では、SnTe におけるトポロジカル表面状態を観測し、より質の良い結晶作製を通じて将来的に高速動作するデバイスを作製するための基礎的研究を行うこととした。
SnTe は Sn 欠陥が非常に生じやすいため、as grown でもハイドープな p 型となる。理想的なトポロジカル絶縁体ではバルクが絶縁体で表面状態がメタリックとなるため、電気伝導を測定した時に、キャリア密度が高いとフェルミレベルが価電子帯と重なりバルク寄与が大きくなり、表面状態の観測が困難になる。そのため、SnTe 薄膜を作成し精密に分子線フラックス量を制御し、なおかつ成長温度などを最適化することでよりバルクキャリア密度の低い試料の作製を目指した。結果的には成長条件最適化によってキャリア密度を 1020cm-3 台に下げ、また不純物ドーピングによって更に系統的にキャリア密度下げることに成功した。また原子層レベルで良質な単結晶を作製することで、トポロジカル表面状態に特有の 2 次元弱反局在効果の観測に成功した(R.Akiyama et al.,Jour.of Phys: Conf.Ser., in print)。
現在は、より平坦性のよく、またキャリア密度の低い単結晶作製を目指して結晶成長を行っている。それによって、シュブニコフドハース振動の観測などによって詳細な物理的性質の解明や、スピンデバイスの作製へとつなげていきたい。

キーワード ＦＡ

トポロジカル絶縁体

トポロジカル結晶絶縁 量子ホール効果体（以下は記入しないでください。）
助成財団ｺｰﾄﾞ ＴＡ

研究課題番号 ＡＡ

研究機関番号 ＡＣ

シート番号- 1 -スピントロニクス

発表文献（この研究を発表した雑誌・図書について記入してください。）
論文標題ＧＢ

Weak antilocalization in (111) thin films of a topological crystalline insulator SnTe

著者名 ＧＡ

Akiyama Ryota ほか 雑誌名 ＧＣ

ページ ＧＦ

未定～

雑誌

Journal of Physics: Conference Series (採録決定)

発行年 ＧＥ

巻号 ＧＤ

論文標題ＧＢ
雑誌

著者名 ＧＡ
ページ ＧＦ

雑誌名 ＧＣ～発行年 ＧＥ

巻号 ＧＤ

論文標題ＧＢ
雑誌

著者名 ＧＡ
ページ ＧＦ

雑誌名 ＧＣ～発行年 ＧＥ

巻号 ＧＤ

発行年 ＨＤ

総ﾍﾟｰｼﾞ ＨＥ

発行年 ＨＤ

総ﾍﾟｰｼﾞ ＨＥ

著者名 ＨＡ
図書

書名 ＨＣ
出版者 ＨＢ
著者名 ＨＡ

図書

書名 ＨＣ
出版者 ＨＢ

欧文概要 ＥＺ
We investigated the topological crystalline insulator SnTe. Topological crystalline insulators have
Dirac cones which have the spin-locked band structure where massless Fermions transport, and therefore
the mobility is very high. These characteristics are the same as topological insulators. However, thereversal symmetry which protects the topological surface state in topological crystalline insulators
is different from the time reversal symmetry in topological insulators, and it is mirror symmetry inthe crystal. This means that we can make the magnetic topological crystalline insulators by doping themagnetic impurities with keeping mirror symmetry. Thus, topological crystalline insulators arepromising materials which can be applied to the fabrication of the spin-device. In this study, we aimed
to observe and investigate the topological surface state by fabricating the higher quality crystals
for realizing the next generation high-speed device.
SnTe has many vacancies in the as grown sample, leading to the high-doped p-type conductivity. In ideal
topological insulators, the bulk is insulating and the surface state is metallic. If the bulk carrier
density is high, the Fermi level closes to or overlaps the valence band. In that situation, the surface
state is no longer detected well. For this reason, we were tried to decrease the carrier density byoptimizing the growth conditions such as the substrate temperature, the flux ratio, and the thicknessof SnTe. As a result, we successfully decrease the hole density down to ~1020 cm3 by using SnTe not
Sn and Te as the source of the molecular beam. Furthermore, the hole density decreased more by doping
the donor impurity. We observed the 2 dimensional weak antilocalization effect at the low temperature(~ 4K), which is essential effect to the topological (crystalline) insulator(R. Akiyama et al., Jour.
of Phys: Conf. Ser.(in print)).
We are trying to make the film whose hole density is lower and whose surface morphology is smoother.
With such film, we aim to observe the Shubnikov-de Haas effect to investigate the detailed surface state,
and to make the prototype spin-device.

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