東邦大学複合物性研究センター 2012 年度報告書伝導性研究グル-プ有機導体で実現するディラック電子系に関する研究田嶋尚也１．研究目的本研究では，多層ディラック電子系である α-(BEDT-TTF)2I3 へキャリア注入を実現する手法を確立し，ディラック電子系のデバイス作製を目指す．このようなディラック電子系ではディラックコーンの接点を周回する軌道がベリー位相 π を持つことにより，電子の後方散乱を抑制する効果がある．実際に，低温で 106 cm2/Vs 程度の高易動度をもつ．従って，質量ゼロで散逸がない電子が主役となるグリーンなデバイスが期待できる．今回研究チームは，以下の研究計画で述べる手法でキャリアをこの物質に注入し，ディラック電子系に特有の量子磁気抵抗振動と量子ホール効果を観測することに初めて成功した．２．2012 年度の研究計画分子性ディラック電子系 α-(BEDT-TTF)2I3 の FET 駆動を目指し，本研究では以下に述べる簡単な手法でキャリア注入を試みた．この物質は低温で，1 層あたりのキャリア濃度は 108 cm-2 と非常に低い．ヘリウム液面上の電子濃度に匹敵する値である．従って，わずかに負に帯電した基板に試料を固定しただけで，接触帯電法による正孔注入の効果を電気伝導性に検出されると期待できる．ここで，この手段の主な問題点等を以下に述べる． 1) 通常の電界キャリア注入は界面でのみである．そこで，この効果を検出するために数百 nm の厚みの薄板結晶を用いた． 2) 薄板結晶は基板上に固定が，基板と試料の圧力や熱による歪（収縮・膨張率）の違いが問題となる．本研究では，歪効果が有機導体とかけ離れていないプラスチック基板に試料を固定した． 3) 2)の理由から，プラスチック基板上に固定した試料でも高圧力下でディラック電子系が実現することを実証する必要がある．答えは YES である．特徴的な輸送現象を観測した．以上の方法で，分子性ディラック電子系 α-(BEDT-TTF)2I3 へキャリアを注入し，磁気抵抗効果とホール効果等からこのデバイスの評価を行い，この系のディラック電子の基本的な性質を明らかにすることを計画した． -1- 東邦大学複合物性研究センター 2012 年度報告書３．2012 年度の研究成果本研究の最も重要な成果は，図 1，2 に示すように量子磁気抵抗振動(シュブニコフ・ド・ハース振動：SdH 振動)と量子ホール効果を分子性ディラック電子系では初めて観測したことである．先ず，キャリア注入効果を SdH 振動の観測から評価を述べる．ディラック電子系では π のベリー位相をもつが，その効果は SdH 振動の位相に現れる．つまり，SdH 振動起源のキャリアは通常の電子かディラック電子かを SdH 振動の位相から知ることが出来るのである．その結果，振動起源はディラック電子であり，このことは接触帯電法によるキャリア注入は成功したことを強く示唆する．また、ドーピング量を振動の周期から見積もると，8×1011 cm-2 と信じられないほど高い．第一ブリルアンゾーンの約 0.02%に相当するフェルミ面である．フェルミエネルギーはディラックコーンの接点から約-40 K のところに位置する結果である．次に，図 2 に示した量子ホール効果を評価する．磁気抵抗振動が極小を示すところでホール抵抗がプラトーを示すが，これが量子ホール効果のホールマークである．ディラック電子系では，プラトーのホール抵抗は Rxy=(ve2/h)-1 で表される．ディラック電子系への顕著な効果は，充填率 v=±4(n+1/2)に半整数の因子が存在するということにある．従って， |v|=2, 6, 10, 14, 18, …の量子ステップが期待できる．図 2 のプラトー領域はそれぞれ v= -6, -10, -14, -18 であり，ディラック電子系に特徴的な量子ホール効果を観測することに初めて成功した．最後に，この量子ホール効果は本質であることを述べる．通常の 2 次元系量子ホール効果では，プラトーのところで抵抗はゼロになるのが本質である．しかし，図 1 に示した抵抗はそうなっていない．この物質は多層状構造をし，キャリアは数層だけに注入されているため，注入されていない大多数の層による伝導性への影響は非常に大きいのである．図 2 のプラトーの温度依存性はキャリア注入されていない層のホール伝導性による．従って，この量子ホール効果が本物であることを証明するのは大変困難である．研究チームは，キャリア易動度の高さと他の量子ホール効果が観測されている物質との比較，電流誘起量子ホール効果のブレークダウン現象観測等から，この量子ホール効果は本物であると判断する．図 1: SdH 振動 -2- 図 2：量子ホール効果東邦大学複合物性研究センター 2012 年度報告書４．成果公表リスト原著論文 1) N.Takubo, N.Tajima, H.M.Yamamoto, and R. Kato Observation of photo-inducedinsulator-to-metaltransition in charge-ordered α-(BEDT-TTF)2I3 thin crystalbysimultaneous transport andopticalmeasurement Journal of Luminescence, 137 ,234-240 (2013)査読有 2) N. Tajima, Y. Nishio, and K. Kajita, “Transport Phenomena in Multilayered Massless Dirac Fermion System α-(BEDT-TTF)2I3 Crystals, 2,643-661(2012)査読有 3) N. Tajima, R. Kato, S. Sugawara, Y. Nishio, and K. Kajita Interband effects of magnetic field on Hall conductivity in the multilayered massless Dirac fermion system α-(BEDT-TTF)2I3 Phys Rev B, 85 033401-1-4 (2012)査読有学会発表，シンポジウム講演 1) 北村竜一・西尾豊・田嶋尚也・梶田晃示・加藤礼三・田村雅史・内藤俊雄ゼロギャップ伝導体 α-(BEDT-TTF)2I3 の熱起電力 IV 日本物理学会第 68 回年次大会広島大学広島 (2013.03) 2) 山内貴弘・田嶋尚也・須田理行・川椙義高・山本浩史・加藤礼三・西尾豊梶田晃示多層 Dirac 電子系における量子ホール効果 III 日本物理学会第 68 回年次大会広島大学広島 (2013.03) 3) 梶田晃示・三浦克哉・遠藤里美・佐藤光幸・田嶋尚也・西尾豊 α-ET2I3 のディラック電子とゼロモード電子日本物理学会第 68 回年次大会広島大学広島 (2013.03) 4) 小澤拓弥・山内貴弘・田嶋尚也・加藤礼三・西尾豊・梶田晃示 α-(BEDT-TTF)2I3 の中間圧力域と高圧力域における Dirac 電子状態日本物理学会第 68 回年次大会広島大学広島 5) (2013.03) 田嶋尚也分子性ディラック電子系の電気伝導性とキャリア注入効果科研費基盤研究(A)「固体中のディラック電子」第 2 回研究会（招待講演）下呂温泉小川屋岐阜（2012.12） -3- 東邦大学複合物性研究センター 6) 2012 年度報告書田嶋尚也相対論的電子(ディラック電子)を有する有機導体の輸送特性分子科学研究所電子物性部門セミナー分子科学研究所（2012.12） 7) 田嶋尚也・山内貴弘・須田理行・川椙義高・山本浩史・加藤礼三・西尾豊梶田晃示多層 Dirac 電子系における量子ホール効果 I 日本物理学会 2012 年秋季大会横浜国立大学横浜（2012.09） 8) 山内貴弘・田嶋尚也・須田理行・川椙義高・山本浩史・加藤礼三・西尾豊梶田晃示多層 Dirac 電子系における量子ホール効果 II 日本物理学会 2012 年秋季大会横浜国立大学横浜（2012.09） 9) 北村竜一・加藤礼三・田村雅史・内藤俊雄・西尾豊・田嶋尚也・梶田晃示ゼロギャップ伝導体α-(BEDT-TTF)2I3 の熱起電力 3 日本物理学会 2012 年秋季大会横浜国立大学横浜（2012.09） 10) 島本匠弥・荒井健一・鷹野芳樹・開康一・高橋利宏・田嶋尚也・加藤礼三有機導体α-(BEDT-TSeF)2I3 単結晶の 13C-NMR 日本物理学会 2012 年秋季大会横浜国立大学横浜（2012.09） 11) N. Tajima, T. Yamaguchi, M. Suda, Y. Kawasugi, H. M. Yamamoto, R. Kato, Y. Nishio K. Kajita Quantum Hall effect in multilayered massless Dirac fermion system: α-(BEDT-TTF)2I3 20th International Conference on High Magnetic Fields in Semiconductor Physics, （July.2012, Chamonix Mont-Blanc, France） -4-