電気化学エッチング法を活用した層状超伝導物質FeSe の極薄膜物性研究

摘要

グラフェンや遷移金属ダイカルコゲナイドをはじめとする層状物質群の極薄デバイス研究の進展が著しい。剥離法を用いて結晶から極薄複数層や単原子層を用意し、電子ビームリソグラフィー技術などのデバイスプロセスと合わせることで、ディラック電子や特殊な電子構造に由来する基礎物性の面白さを引き出すだけでなく、応用物性においても、トランジスタ、光電変換素子や熱電変換素子など多様な研究が進められている。本講演では、層状物質の中でも、鉄系超伝導体の一種であるセレン化鉄（FeSe）に着目する。FeSe はPbO 構造でSe-Fe-Se の層状構造を有しており、バルクで8 K 程度の超伝導転移温度（Tc）を示すことが知られている[1]。2012 年には、SrTiO3(001)基板上に成長した単層のFeSe がTc = 65 K に相当する超伝導ギャップを示すことが報告され[2]、その転移温度の高温化機構が盛んに議論されている。我々は、層状構造であるFeSe の膜厚を系統的に制御できる手法として、電気二重層トランジスタ構造内で電圧と温度を制御する“電気化学エッチング法”を考案した [3]。この手法を用いて、超伝導転移温度[3]、臨界電流[4]やホール効果測定[5]の膜厚依存性を系統的に調べてきた結果、超伝導転移温度とホール係数との密接な関係を見出した。これらの実験結果は、膜厚を連続的に変化させた状況下で各種の電気伝導特性を評価できる、電気化学エッチング法の有用性を示す好例と考えている。電気化学エッチング法は、他の層状物質への適用や各種物性評価にも適用可能と考えており、最近の試みである他の層状物質や熱電変換特性評価[6]の例についても紹介したい。