Electrides are unique ionic crystal in which interstitial anionic electrons (IAEs) decoupled from the atomic orbitals acts as anion. By virtue of this unique electrical property, free electron-like electron layers are expected to float on the surface of 2D electride materials. In addition to that, topological surface states are also predicted in electride materials, following the bulk topological states. However, those surface state has not been sufficiently investigated in. In this thesis, the electronic structure of the 2D electride material Gd2C has been investigated using angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES). With the electronic structure calculations and the ARPES measurements, the realization of a 2D pure floating electron system in an electron liquid state could be captured, and it was found to be a quantum state with a large electron density. Furthermore, the surface deposition of alkali metals allowed the control of the electron density to induce a transition to the hexatic phase which exhibits non-Fermi liquid behavior. In addition, the electronic structure corresponding to the Weyl state –Weyl cones and Fermi arcs – was successfully captured. Interestingly, the calculation indicate that the Fermi arc surface state exists at the topmost atomic layer, separated from the floating electrons, forming a heterosurface state. Therefore, these results show not only interesting properties of a new exotic material, but also possibilities as a new platform to study pure electron systems, strongly correlated systems, and topological superconductors, and more.
전자화물이란 원자 오비탈로부터 분리된 격자간 전자가 음이온의 역할을 하는 독특한 이온 결정들을 말한다. 이러한 전기적 성질로 인해 2차원 전자화물의 표면에는 자유전자의 성질을 갖는 떠있는 전자층이 예측된다. 이에 더해 전자화물에는 위상학적 표면 상태도 예측되고 있다. 그러나 이러한 표면상태들은 실험적으로 충분히 연구가 되지 않은 상태이다. 본 학위논문에서는 2차원 전자화물 가돌리늄 카바이드의 전자구조를 각분해능광전자분광을 이용하여 연구하였다. 전자구조 계산과 각분해능광전자분광 측정을 통해 전자 액체 상태에 있는 2차원 순수 부유 전자계의 구현을 확인하였으며, 높은 전자밀도에서 양자 상태에 있음을 알 수 있었다. 또한, 알칼리 금속의 표면 증착을 통해 전자 밀도를 조절하여 비 페르미 액체 특성을 갖는 헥사틱 상으로의 전이를 유도할 수 있었다. 추가적으로 바일 상태의 전자구조인 바일 원뿔과 페르미 호를 확인하였다. 흥미로운 것은 전자구조 계산 결과, 페르미 호 표면 상태가 표면 부유 전자와 분리된 채 최상단 원자층에 존재하여 헤테로 표면 구조를 이룬다는 것이다. 따라서 이 결과들은 새로운 물질에서 흥미로운 특성들을 발견한 것 뿐만 아니라 순수 전자계, 강상관계 물질, 그리고 위상학적 초전도체 등의 물질들을 연구할 수 있는 새로운 플랫폼을 제시한다.
