[論文レビュー] Intrinsic Insulating Ground State in Transition Metal Dichalcogenide TiSe2

Daniel Campbell, Chris Eckberg+9 more|arXiv (Cornell University)|Sep 25, 2018

2D Materials and Applications被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、高圧アルゴンガス成長（最大180 bar）が、チタンジサルファイド（TiSe2）における真性絶縁体状態を安定化させることを示した。この状態ではセレン空孔が抑制され、約80 Kで一次転移を示す電荷密度波（CDW）転移が観察され、抵抗のヒステリシスとキャリア濃度の低下が認められた。光電子分光法（ARPES）により、フェルミ表面における電子パッチの消失が確認され、従来の外的金属的寄与によって隠れていた励起子絶縁体状態の直接的証明が得られた。

ABSTRACT

The transition metal dichalcogenide TiSe$_2$ has received significant research attention over the past four decades. Different studies have presented ways to suppress the 200~K charge density wave transition, vary low temperature resistivity by several orders of magnitude, and stabilize magnetism or superconductivity. Here we give the results of a new synthesis technique whereby samples were grown in a high pressure environment with up to 180~bar of argon gas. Above 100~K, properties are nearly unchanged from previous reports, but a hysteretic resistance region that begins around 80~K, accompanied by insulating low temperature behavior, is distinct from anything previously observed. An accompanying decrease in carrier concentration is seen in Hall effect measurements, and photoemission data show a removal of an electron pocket from the Fermi surface in an insulating sample. We conclude that high inert gas pressure synthesis accesses an underlying nonmetallic ground state in a material long speculated to be an excitonic insulator.

研究の動機と目的

• 従来のサンプルでは外的金属的寄与によって隠れていた、TiSe2における以前に不明瞭であった真性絶縁体基底状態にアクセスすること。
• 高不活性ガス圧成長が、TiSe2におけるセレン空孔を抑制し、金属的キャリア濃度を低減できるかどうかを調査すること。
• 観察された低温絶縁体状態が、真に電荷秩序状態である励起子絶縁体状態に起因するものであるか、それとも不純物や欠陥状態に起因するものかを特定すること。
• 角度分解光電子分光法（ARPES）を用いて電子状態の進化を調査し、輸送およびホール測定と照合すること。

提案手法

• 密封炉を用いた結晶成長において、従来の化学蒸発輸送（CVT）にイソジオウム（I2）やセレン（Se）を用いるのではなく、高圧アルゴンガス（10–180 bar）を用いた。
• アルゴン圧を用いた不活性ガス下で単結晶および多結晶TiSe2を合成し、X線回折で格子定数を測定して単位格子体積の低減を確認した。
• 室温から2 Kまで輸送およびホール測定を実施し、抵抗率およびキャリア濃度の変化を追跡した。
• 角度分解光電子分光法（ARPES）を用いてフェルミ表面をマッピングし、絶縁体状態のサンプルにおける電子パッチの消失を検出した。
• 放射線源を用いたX線回折および電子顕微鏡法を用いて、結晶構造および欠陥濃度（特にセレン空孔）を分析した。
• 従来のCVT法で成長させたサンプルと比較することで、圧力成長が電子的性質に与える影響を分離した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高圧アルゴン成長が、TiSe2におけるセレン空孔を抑制し、外的金属的寄与を低減できるか？
• RQ2 高圧成長下で、通常の200 KのCDW転移とは異なる、約80 Kで一次転移を示す電荷密度波転移を安定化させられるか？
• RQ3 圧力成長TiSe2における観察された絶縁体基底状態は、ドーピングや欠陥状態に起因するものではなく、真に真性のものであるか？
• RQ4 ARPESデータにおける電子パッチの消失が、絶縁体状態の発現およびキャリア濃度の低下と相関しているか？
• RQ5 観察された転移が、先行する理論的および実験的知見が示唆する真の励起子絶縁体状態に起因するものと結びつけられるか？

主な発見

• 圧力成長TiSe2は、約80 Kでヒステリシスを示す抵抗の増加を示し、従来の200 KのCDW転移とは明確に異なる一次転移であることを示している。
• ホール効果測定により、100 K未満でキャリア濃度が顕著に低下しており、絶縁体的挙動および欠陥媒介の伝導の低減と整合的である。
• ARPESデータにより、絶縁体状態のサンプルではフェルミ表面における電子パッチが完全に消失していることが判明したが、金属的および半導体的対照サンプルにはそのパッチが存在した。
• X線回折により、圧力成長サンプルでは格子定数が小さく、単位格子体積が低減しており、セレン空孔濃度の低減が示された。
• 化学ドーピングによる誘導ではない真の絶縁体状態であることが確認された。これは、中間状態原子の欠如および高温での構造的・磁気的性質が標準TiSe2と一貫していることから裏付けられた。
• 結果として、TiSe2に真の励起子絶縁体基底状態が存在することを支持するものであり、高圧法により従来見えなかった低温電荷秩序相が明らかになった。