励起子絶縁体候補物質TaNiSeのTi, Zr, Hf置換によるキャリアドープ効果

Carrier doping effect of Ti, Zr, and Hf substitution in excitonic insulator candidate material TaNiSe

土田 駿*; 広瀬 雄介*; 関川 卓也; 大野 義章*; 摂待 力生*

Tsuchida, Shun*; Hirose, Yusuke*; Sekikawa, Takuya; Ono, Yoshiaki*; Settai, Rikio*

励起子絶縁体は、結晶中で電子と正孔が結合し、それらが集団的に振る舞うことで結晶全体が絶縁体化する性質を有し、新規物性として注目され始めた。本研究では、励起子絶縁体の候補物質の一つであるが合成自体が困難で物性解明が進んでいないTaNiSeに着目し、まずキャリアドープを目的とした元素置換試料(Ta1-xMx)NiSe (M=Ti, Zr, Hf)の育成に成功した。M=Ti, Zr, Hfにおいては置換によって低温での電気抵抗が母物質より5、6桁ほど電気抵抗が小さくなる。さらにチタンをタンタルと置換した場合(M=Ti)において、組成比xが0.06未満の試料の電気抵抗率は半導体的であるがx=0.06以上では高温相の電気抵抗率が金属的に振る舞うことを明らかにした。本研究で示した相転移は、励起子絶縁体を実現するための新たな知見となりうる。

Excitonic insulators have the property that the entire crystal becomes an insulator due to the collective behavior of electrons and holes bound together in the crystal, and they have begun to attract attention as a new physical property. In this study, we focused on TaNiSe, which is one of the excitonic insulator candidates, but its synthesis itself is difficult and its physical properties have not yet been clarified. The electrical resistivity of M=Ti, Zr, and Hf at low temperatures is 5 to 6 orders of magnitude lower than that of the parent material. Furthermore, when titanium is substituted for tantalum (M=Ti), the electrical resistivity of samples with composition ratio x less than 0.06 is semiconducting, while the electrical resistivity of the high temperature phase behaves metallic when x = 0.06 or higher. The phase transition shown in this study may be a new insight into the realization of excitonic insulators.