時間·空間·エネルギー分解計測によるトポロジカル表面状態の不均ー性の可視化

摘要

三次元トポロジカル絶縁体（3DTI)は，バルク絶縁体であり，表面にはギ ャップレスの金属状態をもつ.表面状 態(SS)特有の電子輸送特性により，原 子スケールの厚さの薄い透明電極など の幅広いアプリケーシヨンが期待され ている.しかし，SSは不純物付着によ る影響が大きく ，その不均一性が 分光研究により示唆されている.また，電子輸送特性は，SSに大きく影 響される.そこで，我々は，時間，空 間，エネルギー分解能をもつフェムト 秒光電子顕微鏡を開発し，典型 的な3D TIであるBi_2Se_3の光励起電子 の動的特性を観測した.Figure 1(a)は，Bi_2Se_3表面の光電子顕微鏡像である.局所的に異なる光電子放出量がSS密 度に対応することが本研究により明ら かとなった.光照射によりバルク，お よび，表面準位（Figure 1(b)参照）に電子励起し，その再結合寿命を観測した結果がFigure 1(c-e) である.励起光源の光子エネルギーを制御することで，バルクと表面の電子ダイナミクスをエネ ルギー的に区別して観測している.SSでは，グラフェンなどと同様に，Dirac点を介する2 ps 程度の再結合寿命が観測されているのに対し，バルクは，0.3 eV程度のバンドギャップがあり，よ り長い再結合寿命をもつ.