首次检测潜伏在磁性威尔半金属表面的金属传导 向利用表面传导的新型元件开发前进

东北大学金属材料研究所

科学技术振兴机构

首次检测潜伏在磁性威尔半金属表面的金属传导
向利用表面传导的新型元件开发前进

https://www.jst.go.jp/pr/announce/20210603-2/pdf/20210603-2.pdf

【发表的要点】●证实了● Co3Sn2S2薄膜在磁性威尔半金属(※1 )状态下的金属表面传导。●建立了基于通用且可靠性高的膜厚控制的表面传导评价。●与使用表面传导验证新型元件原理相关的本成果是元件化研究的突破。【概要】关于被称为拓扑物质群的特殊物质之一的磁性魏尔半金属，提倡其为强磁性的同时，还表现出来源于拓扑电子结构的各种有趣的物性。 在磁性威尔半金属的试样表面，由于特异的电子结构而产生了表面状态。 因此，人们期待表面状态的特性不依赖于试样厚度，而显示出优异的导电性(图1 )。但是，很难分别对表面状态和试料内部的传导成分进行评价。

东北大学金属材料研究所的池田绚哉研究生(研究当时为理学研究科物理学专业)、藤原宏平准教授、盐贝纯一助教、关刚斋副教授、野村健太郎副教授、高梨弘毅教授、冢崎敦教授等的共同研究小组通过精密控制磁威半金属Co3Sn2S2薄膜的膜厚，首次捕捉到了磁威半金属状态下表面传导的表达，同时明确了其金属性质。该成果不仅极大地推进了磁性威尔半金属的物性解析，还期待着有助于利用表面传导的新型元件的开发。本研究成果将于2021年6月3日(英国时间)发表在英国科学杂志《CommunicationsPhysics》在线版上。

【详细说明】𝶷研究背景固体所表现出的各种性质和功能，与固体中的电子轨道聚集而形成的能带结构(※2 )有密切的关系。 例如，金属、半导体、绝缘体(电介质)所表示的不同的电光性质，可以通过考虑带结构和电子的堵塞方法的不同来理解 。 近年来，从拓扑(拓扑几何学)的观点理解和分类能带结构的“拓扑物质科学”急速发展。 作为拓扑物质群的一种被称为磁性威尔半金属的物质，在能带结构中存在被称为威尔点的奇点。 will点相当于交叉的能带和能带的结，对固体中的电子赋予强磁场同等的作用。 利用这一性质开发高灵敏度磁传感器和高效率热电元件的尝试，作为电子技术革新的划时代方法备受瞩目。磁性威尔半金属的另一个特征是在试样表面出现的电子状态(表面状态)的存在。 据预测，这种表面状态的电导不易受到杂质等紊乱的影响，因此理论上提出了其应用于新奇元件原理的可能性。 但是，在使用块状试样(※3 )的以往的研究中，试样内部(非表面的区域)的传导支配着实验检测的传导成分，因此很难分离检测出来自一张薄皮表面的传导成分，只停留在利用光谱学方法的表面状态的观测上。 因此，本研究小组率先在世界范围内致力于代表性的磁性半金属Co3Sn2S2的薄膜化，通过膜厚的系统控制进行了物性评价[1]。 这次，着眼于通过将简单且控制性高的“膜厚”用作参数，可以分离与膜厚成比例的内部传导成分和不依赖于膜厚的表面传导成分，挑战了未达成的表面传导的检测。j.Ikeda电子杂志，公共杂志2，18 ( 2021 )

〇成果的内容迄今为止的研究表明，膜厚20 nm以上的试样具有磁性威尔半金属的特征。 这次以这些试样为对象，详细评价了薄膜电导率(单位面积的电导率)。 在约180 K磁转移温度以上的顺磁性状态(※4 )下，薄片电导率与膜厚成比例关系(欧姆定律)，可以通过只考虑薄膜试料内部的传导成分进行说明(图2(a )、黑虚线)。 另一方面，当在磁转移温度以下变为强磁性的磁威半金属状态时，片电导率急剧增加，同时在对应于膜厚nm的片电导率中明显出现了有限的切片成分(图2(b )、箭头)。 这意味着，除了与膜厚成比例的试料内部的传导成分外，一旦进入强磁性状态，还会出现与膜厚无关的传导成分。 并且，明确了与该膜厚无关的传导成分会随着温度的降低而增加，也就是显示出金属的温度依赖性(图3 )，得出了是磁性威尔半金属的表面传导的结论。

𝶷意义.课题展望这些结果是首次检测到备受争议的Co3Sn2S2表面传导的成果，对磁性威尔半金属的物性解析带来了巨大的影响。 此次使用的膜厚控制方法不限于Co3Sn2S2，可以应用于各种物质系统。由于可能，因此有望作为表面传导的基础性评价方法得到发展。 另外，由于证实了优异的金属表面传导的存在，可以认为通过使用磁威半金属首次实现的元件功能的实验验证也会加速。 薄膜试样不仅对表面传导的评价有效，也是以产业应用为目标的元件化研究中不可缺少的，因此预计今后磁性威尔半金属的薄膜研究将更加活跃。 本研究集团的目标是通过高质量薄膜的制作和表面界面的物性评价，为支撑高度信息化社会发展的创新电子元件的制作做出贡献。

○发表论文杂志名称:通信系统英文标题:金属表面导体中的CO3S N2 S2 thin胶片全部作者: Junya Ikeda，Kohei Fujiwara，Junichi Shiogai，Takeshi Seki，Kentaro Nomura，Kokitakanashi和Atsushi TSuka ZakiDOI: 10.1038/s42005-021-00627-y

○专业用语解说(注释和补充说明等)※1磁性Weil半金属固体中的电子状态具有与一般物质(金属、半导体、绝缘体)不同的几何学特征(拓扑)的物质群统称为拓扑物质。 作为代表例的拓扑绝缘体是在物质内部不导电的绝缘体，但在表面导电具有表面状态。 该二维表面状态表示线性的能量色散关系。 作为其扩展，在三维物质整体中存在具有线性分散能带(※2 )的物质。 特别是磁有序(※4 )和自旋轨道相互作用(电子自旋和轨道角动量的相互作用) ，在动量空间中具有特定对称性的点( will点)附近具有线性色散，除此之外具有间隙展开状态的物质被称为磁性will半金属。※2束带、束带结构和动量空间在量子力学中，围绕原子核运动的电子的状态表现为具有特定能级和空间特征的轨道。 在原子单体中，轨道的能级是离散的，但在由庞大数量的原子组成的固体中，反映出轨道间的各种重叠方式，从而形成扩展的能级(能带)。 由各种轨道构成的带的集合体称为带结构。 以电子的动量为变量，表示能级的空间称为动量空间。

※3散装试样单晶或烧结体等mm~cm尺度的块状(块状)试样。 广泛应用于基础物性研究。※4顺磁性、铁磁性、磁有序电子具有被称为自旋的微观磁铁的性质。 物质中自旋朝向随机方向的无序状态称为顺磁性，通过沿相同方向排列而产生宏观磁化的有序状态称为铁磁。 一般来说，磁有序在高温下容易受热的影响而变得无序，在低温下容易有序化。 Co3Sn2S2在约180 K下从顺磁性向铁磁性转变。○联合研究机构及资助本研究包括: JST战略性创造研究推进事业CREST“拓扑功能界面的创造”(研究代表:冢崎敦，课题编号JPMJCR18T2 )、科学研究费补助金(课题编号: 20H01830 )、在东北大学金属材料研究所附属新材料联合研究开发中心(课题编号: 19G0410 )的支持下实施。

有关本案的咨询方式◆关于研究内容东北大学金属材料研究所低温物理学研究部门准教授藤原宏平2088电子邮件: kfujiwara IMR.Tohoku.AC.JP教授冢崎敦2085电子邮件: tsuka zaki IMR.Tohoku.AC.JP◆关于jst事业科学技术振兴机构战略研究推进部绿色创新集团嶋林优子03-3512-3531传真: [phone]电子邮件: crest JST.GO.JP◆关于报道东北大学金属材料研究所信息企划室宣传班022-215-2144传真: [phone]电子邮件: IMR-press IMR.Tohoku.AC.JP科学技术振兴机构宣传科03-5214-8404传真: [phone]电子邮件:日本航空

有关本案的咨询方式 ◆关于研究内容 东北大学金属材料研究所 低温物理学研究部门 准教授藤原宏平 2088电子邮件: kfujiwara IMR.Tohoku.AC.JP 教授冢崎敦 2085电子邮件: tsuka zaki IMR.Tohoku.AC.JP ◆关于jst事业 科学技术振兴机构战略研究推进部 绿色创新集团 嶋林优子 03-3512-3531传真: [phone] 电子邮件: crest JST.GO.JP ◆关于报道 东北大学金属材料研究所信息企划室宣传班 022-215-2144传真: [phone] 电子邮件: IMR-press IMR.Tohoku.AC.JP 科学技术振兴机构宣传科 03-5214-8404传真: [phone] 电子邮件:日本航空