東北大,3次元トポロジカル絶縁体薄膜を簡易作製

東北大学は,3次元トポロジカル絶縁体Bi2-xSbxTe3-ySeyの大型・高品質薄膜の簡便な作製法と転写法を確立した(ニュースリリース)。

3次元トポロジカル絶縁体は,物質内部は絶縁体で電流を通さず,表面には金属状態が存在し,電流を流すことのできる新しい絶縁体。この表面状態は質量ゼロのディラック状態として知られており,非常に散乱の少ない電流とスピン流の生成が可能であることから省エネ素子への応用に向けた研究が行なわれている。

3次元トポロジカル絶縁体を実用的な素子として使用するためには,高品質な薄膜が簡単に作製可能で,かつ,シリコンなど現在実用化されている様々な基板上に簡単に転写できることが望まれる。

3次元トポロジカル絶縁体においては,これまで,分子線エピタキシー法を用いることで,大型で高品質な薄膜の作製が可能であることが報告されていたが,分子線エピタキシー法では10-8Pa程度の超高真空下で薄膜を作製するため,製膜速度が遅く量産向きではないこと,製膜設備が非常に高価であることが問題だった。

さらに,薄膜の転写には,保護膜の作製など複雑なプロセスが必要であること,また,転写後に試料の品質が低下することが問題となっていた。

今回研究グループは,3次元トポロジカル絶縁体Bi2-xSbxTe3-ySeyの大型薄膜を,物理気相蒸着を用いることで,低真空(10-1Pa)で低コストな製膜設備を用いて作製する手法を開発した。さらに薄膜を水に晒すだけで,育成用の基板から容易に剥離でき,様々な基板上に転写可能であること,転写後の薄膜の品質が,Bi2-xSbxTe3-ySeyの単結晶なみに高品質であることを明らかにした。

これらの成果から,トポロジカル絶縁体を用いた電子デバイスにおいて鍵となる高品質薄膜の作製と制御が可能となったことから,省エネ素子への応用が期待されるとしている。

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