【研究領域課題番号】18H03686 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

強誘電金属 / 超伝導 / SrTiO3 / ニューロモルフィック / レザバー / 強誘電体 / 強誘電量子臨界点 / リーク付き積分 / ニューラルネットワーク / 電界効果トランジスタ / 量子臨界点 / アトラクタ / チタン酸ストロンチウム / 近藤効果 / 人工ニューロン / 人工シナプス / 強誘電 / 金属絶縁体転移 / VO2

【研究成果の概要】

SrTiO3のSrをCaやBaで置換して強誘電体にした試料にTi/Nb置換でキャリアドープすると、SrTiO3関連の系では誰も観測したことのない0.75Kという高いTcを得ることができることを昨年度に発見しましたが、今年度はこの背景を探究し論文にまとめて投稿しました。キャリア濃度が小さくて誘電分極の遮蔽を十分に行えないと「強誘電体(空間反転対称性の破れた状態)の金属」になる可能性がありますが、X線による低温での精密な構造解析の実験をPFで行い、金属相でも確かに空間反転対称性が破れていることを明らかにしました。この系では電気抵抗が低温で上昇に転じるのですが、この異常が現れる温度(TK)をキャリア濃度に対してプロットすると、キャリア濃度をゼロにした極限で、TKが強誘電転移のキュリー温度に一致することがわかりました。TK以下の温度領域で反転対称性の破れた金属が出現するのだと仮定すると、TK=0となるキャリア濃度は広義の``量子臨界点''だと考えられます。我々はこの``量子臨界点''近傍で超伝導転移温度が最も増強されると考えていましたが、実はこの点の近傍での増強は小さく、むしろキャリア濃度が小さくなるほど増強が大きくなるという予想外のこともわかりました。このような興味深い物性を示すSrTiO3を用いた電界効果トランジスタ(FET)は、コンデンサなしでミリ秒以上の時定数を持つリーク付き積分動作をすることが昨年度までの研究でわかったので、今年度はこのSrTiO3 FET素子の動作を模倣する半導体集積回路をASICによって作製しました。大きな時定数を半導体回路で実現するというのは非常に困難でしたが、pseudo-resistorというアイデアを導入して克服できました。一方で、大きな電子回路をたったひとつの素子で実現できるというSrTiO3 FETのメリットを強調することにも繋がりました。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2018-04-01 - 2023-03-31

【配分額】43,810千円 (直接経費: 33,700千円、間接経費: 10,110千円)

【研究分野】デバイス関連化学

【研究領域課題番号】15H03881 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

薄膜・表面 / 超伝導 / 光触媒 / 遷移金属酸化物 / エピタキシャル成長 / 電気化学セル / 金属－絶縁体転移 / イオン結晶 / エピタキシャル / 電気化学 / 表面・界面物性 / 超伝導材料・量子

【研究成果の概要】

遷移金属酸化物は，無毒性や化学的安定性のため，種々の電気化学セルに利用されている。本研究では，薄膜技術と電子相図を用いた解析手法とを組み合わせて，遷移金属酸化物の新しい電気化学的機能を見出すことを目的とした．主な研究成果は以下の通りである．（1）鉄系薄膜からなる光電極構造を様々に工夫した結果，水の光電気化学分解反応の効率が大幅に向上した．（2）チタン酸リチウム薄膜の完全かつ可逆的な超伝導体-絶縁体転移をリチウムイオンの電気化学ドーピングにより実現した．（3）酸化チタン薄膜における新しい超伝導相を発見した．我々の研究方法は，持続可能な社会の構築に役立つ新材料・新機能を見つける強力な方法といえる．

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2015-04-01 - 2018-03-31

【配分額】17,940千円 (直接経費: 13,800千円、間接経費: 4,140千円)

【研究分野】無機材料・物性

【研究領域課題番号】25420705 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

Rydberg状態 / 水素 / ホスト－ゲスト / Antiperovskite / 金属絶縁体転移 / プラズマ処理 / マンガン / ヘテロ接合講師 / 格子間水素 / ヘテロ接合 / アンチペロブスカイト / 水素ドープ / 励起状態 / 超伝導 / リュードベリ状態 / ディラック電子 / 逆ペロブスカイト / 窒化物 / 格子欠損 / インターカレーション / 希ガス元素 / 電子励起 / 蓄電デバイス / Dirac電子

【研究成果の概要】

Ryudberg状態の水素原子を構造に取り込むホスト-ゲスト物質系を設計し、その高エネルギー励起状態による巨大起電力が期待される革新的電池系の設計を試みた。大きな格子間空隙をもつ遷移金属Antiperovskite窒化物Mn3Cu1-xGeNにおいてDC水素プラズマ処理により、結晶格子は不可逆的に膨張することを発見し、この原因が結晶格子内に取り込まれた水素が1s2のH-の状態をとることによると結論した。光物性および電気物性評価から、このMn3Cu1-xGeN系は水素による格子の膨張に伴い金属からワイドギャップ半導体に転移することを示したが、そのRydberg状態の確認には至らなかった。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2013-04-01 - 2017-03-31

【配分額】4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円)

【研究分野】物性Ⅱ

【研究領域課題番号】19740202 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

有機伝導体 / 不整合格子 / 反強磁性 / 超伝導 / バンド充填率 / 有機超伝導伝導体 / 金属-絶縁体転移 / 反強磁性絶縁体 / 相図 / 有機超伝導体

【研究成果の概要】

不整合格子系有機超伝導体のなかで、常圧では金属.絶縁体転移を示す物質(MDT-TS)(AuI_2)_<0.441>の反強磁性絶縁相が50Kという高いネール温度、6.9Tという高いフロップ磁場を有することを実験的に明らかにした。また、超伝導相は1.0-1.8GPaの広い圧力領域で存在し、1.27GPaで転移温度は最高の4.9Kを示すことを実験的に明らかにした。これらの結果から、当初の目的である温度-磁場-圧力相図を得ることができた。

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2007 - 2008

【配分額】3,600千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 300千円)

【研究分野】物性Ⅱ

【研究領域課題番号】17340107 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

高温超伝導 / 高圧測定 / 核磁気共鳴 / 強相関電子系 / 高圧 / NMR / 酸化物 / 超伝導 / 金属絶縁体転移 / 梯子格子物質 / 圧力誘起超伝導

【研究成果の概要】

ピストンシリンダー型圧力セルにおいて4万気圧まで至達することに成功した。このセルを用いて圧力下で最適条件となる鉄砒素系高温超伝導体LaFeAsO_<1-x>F_xや、梯子格子銅酸化物Sr_2Ca_<12>Cu_<24>O_<41>のNMR測定を行い、超伝導転移点T_Cが高圧下で上昇する機構を解明した。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2005 - 2008

【配分額】16,200千円 (直接経費: 15,300千円、間接経費: 900千円)

【研究分野】物性Ⅱ

【研究領域課題番号】17340105 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

酸化物 / 電界効果 / トランジスター / 金属・絶縁体転移 / SrTiO_3 / 移動度 / 超伝導 / ナノワイヤー / 強相関エレクトロニクス / マイクロ・ナノデバイス / MBE、エピタキシャル / 先端機能デバイス / 超薄膜

【研究成果の概要】

平成18年度はアモルファスとエピタキシャルのCaHfO_3、DyScO_3をゲート絶縁層に用いたSrTiO_3電界効果トランジスタの作製に成功した。エピタキシャルのCaHfO_3、DyScO_3はSrTiO_3上にグレイン境界の生成なしに約2nmの厚さまで成長できた。この薄いエピタキシャル層とアモルファス絶縁体を組み合わせることで、10^<13>cm^<-2>オーダーにも達するシートキャリア密度をSrTiO_3基板の表面層に誘起できるトランジスタ動作を達成した。低温において急激な電界効果移動度の増加が確認されており、電界で誘起されたキャリアが化学ドーピングされたキャリアと同等に振る舞っている。SrTiO_3トランジスタにおいて金属・絶縁体転移が観測された。
金属伝導性LaTiO_3ナノワイヤーの成長について研究した。アニールしたSrTiO_3基板表面のステップエッジに沿って金属伝導性(La, Sr)TiO_3ナノワイヤーアレーを形成するステップフロー成長手法を開発した。LaTiO_3ナノワイヤー成長の前にアニールしたSrTiO_3基板表面をSrO薄膜でバッファーする技術を開発した。本ステップはSrTiO_3の表面伝導を低減しナノワイヤー間を絶縁するために欠かせない。こうして得られたナノワイヤーアレーは理想的な1次元伝導を示した。
スイス、ジュネーブ大学のトリスコン教授のグループとの共同研究でNbドープSrTiO_3薄膜の超伝導特性に関する研究をおこなった。超伝導を示すNb : SrTiO_3薄膜の作製に成功すると共に、静電的な電界効果によるキャリア密度変調により超伝導状態をon/offできることを示した。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2005 - 2006

【配分額】15,500千円 (直接経費: 15,500千円)

【研究分野】固体物性Ⅱ(磁性・金属・低温)

【研究領域課題番号】08454095 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

fullerene polymers / carbon allotrope / energeteis / fullerene superconductors / band filling control / highly doped fulleride / ammoniated fulleride / antiferromagnetic state / Fullerenes / multi-element system / superconductivity / metal-insulator transition / antiferromagnetism / フラーレン複合化合物 / フラーレンポリマー / 金属一絶縁体転移 / 超伝導体

【研究成果の概要】

炭素で出来た球殻状クラスター、フラーレンをベースに新しい物性、機能性を探索するため、新物質の開発と物性評価を行い以下の成果を得た。
1. フラーレンポリマー
高圧合成法によってC60二量体の合成に成功した。これによって、高圧合成法が、二量体から1次元ポリマー、2次元ポリマーなどを選択的に合成できる優れた方法であることが明らかになった。合成されたこれらのボリマーは加熱によってモノマーC60に戻るが、この反応の熱分析を行った。それによって、すべての重合体はモノマーC60よりも安定であること、さらにこれらの重合体間のエネルギー差は0.01eV/atom程度しかないことを明らかにした。炭素のみから出来たフラーレン重合体が非常に狭いエネルギー範囲の中で多くの多型を有することは極めて特徴的で、sp2/sp3結合のフレキシビリティーの高さを顕著に表している。
2. C60多元複合化合物の研究
2-1: NH3K3C60における反強磁性序化
超伝導-絶縁体転移はフラーレンに限らないらない極めて普遍的かつ基本的な重要問題である。この問題はフラーレン系についても現れ、超伝導体K3C60にアンモニアをドープしただけで超伝導が失われる。このNH3K3C60の性質を系統的に研究し、NH3K3C60の低温相が反強磁性絶縁体であることを明らかにした。この結果は、フラーレン化合物において電子相関効果が重要な役割をしていることを初めて示す結果である。
2-2: 超伝導体(NH3)xNaA2C60(0.5<x<1,A=K,Rb)の高圧効果
昨年度合成されたアンモニアを含んだ上記の超伝導体が、異常な臨界温度と格子定数の関係を示すことから、本系がフラーレン超伝導のメカニズムを明らかにするための手がかりを与えると期待される。本年度は、この超伝導体の高圧効果を系統的に研究し、本系の超伝導が単純に分子間距離でスケールされないことを明らかにした。
2-3: 超伝導体K3Ba3C60、K2Ba4C60の発見
新しい分子価数での超伝導体の探索研究を行い、-9価の価数をもつ超伝導体K3Ba3C60、さらに続いて-10価の価数をもつ超伝導体K2Ba4C60を発見した。これらの結果から、高度にドープされたフラーレン化合物の超伝導には、分子価数にいして強い制限がないことが明らかになった。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】1996 - 1997

【配分額】7,900千円 (直接経費: 7,900千円)