【研究分野】物性Ⅱ

【研究領域課題番号】25220710 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

重い電子 / 非従来型超伝導 / 量子臨界点 / 界面 / スピン密度波 / 量子スピン液体 / 鉄系超伝導 / ボース・アインシュタイン凝縮 / 鉄系高温超伝導 / 銅酸化物高温超伝導 / 重い電子系 / 超伝導対称性 / トンネル顕微鏡 / 人工超格子 / 超伝導 / 分子線エピタキシー / 量子臨界 / ２次元 / BCS-BECクロスオーバー / 量子スピン系 / 空間反転対称性の破れ / 空間反転対称性 / 新奇超伝導状態 / 走査型トンネル顕微鏡 / 界面制御

【研究成果の概要】

重い電子系化合物の人工制御、特に重い電子系化合物CeCoIn5、CeRhIn5を含む様々な人工超格子を作製し、量子臨界点の研究や新奇な超伝導状態の研究を行った。特にd波超伝導体CeCoIn5を含むトリコロール超格子により、空間反転対称性の破れを人工的に制御することに成功し。さらにCeCoIn5とスピン密度波化合物CeRhIn5を原子層単位で、積層成長させた人工超格子を作製し、圧力をかけることにより、界面を通して磁気揺らぎを超伝導状態に注入することに成功した。また超高真空中でエピタキシャル成長し清浄表面を持つ、CeCoIn5とCeRhIn5薄膜のトンネル顕微鏡による分光にも成功した。

【研究種目】基盤研究(S)

【研究期間】2013-05-31 - 2018-03-31

【配分額】244,270千円 (直接経費: 187,900千円、間接経費: 56,370千円)

【研究分野】ナノ材料・ナノバイオサイエンス

【研究領域課題番号】18710092 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

走査トンネル顕微鏡 / 分子線エピタキシー / 初期成長過程 / 磁性ナノ構造

【研究成果の概要】

本研究では、分子線エピタキシー(MBE)装置と走査トンネル顕微鏡(STM)を装備した表面分析チェンバーを超高真空環境で結合した装置を駆使することにより、新しいスピントロニクス材料・構造の創製とそのデバイス応用の可能性を探ることを目的としている。中でも、半導体GaAsと格子整合性の良い強磁性体MnAsに着目し、安定な六方晶ではなく、ハーフメタルと予測されている4配位閃亜鉛鉱型結晶の作製を試みた。
MnAsをナノ構造で作製した場合に閃亜鉛鉱型結晶構造をとることがいくつか報告されているが、GaA表面を硫黄終端化した表面へのMnAs作製による閃亜鉛鉱型ナノドットの作製に着目した。硫化アンモニウム溶液を用いたエッチングによる硫黄終端では、原子レベルで平坦な硫黄表面を作製することが難しいため、GaAs表面への硫黄蒸着システムを作製した。これによtり、2×6再構成表面をもつ平坦な硫黄終端面を作製することに成功し、そのSTM観測をおこなった。そして、その上へのMnAs蒸着を行い、硫黄終端面上へのMnAsは2 MLまで平坦な閃亜鉛鉱方構造を保った電子線回折パターンが得られた。 STM観測においても、溶液処理により作製場合とMnAsナノドット形成が異なる結果となった。
MnAs 1ML以下の初期成長においてGa原子の移動を伴いc(4×4)再構成表面のAs-Gaダイマー構造からAs-Asダイマー構造への相転移により、被服率が蒸着量を上回る現象を確認しているが、その起源を解明するために、GaAs上へのMn金属の蒸着を行った。その結果、Mn蒸着の場合には、Asの表面原子の不足のため、乱れたAs-Asダイマー構造への転移と、その後のMnGa的な金属結合を示す表面が第1層目に作製されることを観測した。

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2006 - 2007

【配分額】3,500千円 (直接経費: 3,500千円)

【研究分野】応用物性・結晶工学

【研究領域課題番号】11450005 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

シリコン / ゲルマニウム / 分子線エピタオシー / 走査トンネル顕微鏡 / ステップ形状 / 表面歪み / ミスフィット / 分子線エピタキシー / Misfit転位 / MBE / STM / Si / Ge

【研究成果の概要】

研究期間中に、我々は特殊高温セルを用いるSi1-XGeX-MBE装置をSTMと接続し、これらを同一の除振台に乗せることで、MBEにおける成長表面を原子分解能で観察できる装置を作成した。MBEにおけるレート制御、組成制御性などの基本性能チェック後、実際にSi結晶基板にSi1-XGeX薄膜をエピ成長させ、その表面モフォロジーの変化の過程を原子分解能で詳細に観察した。観察は、表面ストレスの影響がステップ形状に直接反映されるSi(001)基板を中心に行った。この結果、Si(001)表面上でのSi1-XGex成長では、0.46nm程度の膜厚までは,膜厚と共に表面に点欠陥が導入され、その後これらは線状のdimer vacancy line(DVL)を形成すること、(DVL)間の間隔は膜厚と共に減少し、1.3nm程度でSi表面格子の8倍程度になること、DVLの出現と共にそれまで平坦だった表面は細かいテラスがあちこちで局所的に積み重なったラフ表面に変化すること、またこの時平坦な表面ではwavyであったSBステップが直線的になることを見出した。さらにSi(001)基板上に成長したSi1-XGeX表面上に再びSi薄膜を成長させると、表面のテラスサイズが大きくなり表面は平坦さを回復すること、ただしこの時DVLはかなりの膜厚まで残ることが明らかになった。
またこの研究に関連してSi(111),(001)表面上にAg等の金属薄膜を成長させる場合、基板表面上の原子点欠陥の存在により小さな島が高密度で核形成されることや、Si/Ge界面歪みによるミスフィット転位が、ヘキカイ表面上に特殊なステップ構造を作りその周囲では表面歪みの蓄積/開放により表面超構造が局所的に変化することなどがSTMを用いた研究から明らかになった。さらにこうした表面の局所歪みを伴う欠陥が表面2次元電子状態に与える影響を調べるため、結晶格子の反転対称性の破れに敏感な光第二高調波発生(SHG)における励起光波長依存性を測定する装置を立ち上げ、Si(111)7x7、√<3x>-Ag等の表面超周期構造に特徴的な電子状態間遷移がSHG強度の励起光波長依存性スペクトルにおけるピークとして捕らえられることを実証した。超高真空電子顕微鏡(TEM)を用いて関連する表面構造について構造解析も行った。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】1999 - 2000

【配分額】12,600千円 (直接経費: 12,600千円)

【研究分野】表面界面物性

【研究領域課題番号】11355002 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

GaN / 走査トンネル顕微鏡 / エピタクシー / デバイス加工 / 表面構造 / エッチング / 分子線エピタキシー / ウルツ鉱型GaN / 表面再配列構造 / 塩素よるエッチング

【研究成果の概要】

バルクGaN結晶に関しては熱力学的な知見をベースに実用サイズの単結晶成長が実現しつつあるが未だ不十分で、デバイス製作のキーポイントとなるMOCVD, MBEの重要性はいっそう大きくなっている。にも拘らず、化学エッチングも含めてこれらの基本的デバイス生成プロセスの原子スケール、ナノスケールのダイナミクス、組成、構造に関する基礎的知見は未だ理解が進んでいない。本研究では、原子レベルでエピタクシャル成長とデバイス加工プロセスを研究し、これまで未解決の課題/問題を包括的に理解し解決に導き、実用化に必要な基礎的な結晶成長因子の解明を目標とした。本研究の主要な成果は以下のとおりである。
まず、SiCを下地基板としたGaN膜の超高真空MBEによる育成技術を確立し、Ga終端、窒素終端の両極性をもつ表面構造を原子レベルで制御性良く作成することが可能となった。その後、窒化物表面の構造安定性・エネルギー極小化の機構に関する統一的な理解を進めるため、表面原子配列構造のモデルの解析を進めた。様々な条件下で出現する表面超構造の状態図を調べ、供給フラックスがGa-rich, N-richのどちらの成長条件下においても、表面組成はGa-richになっていること、基本的な成長相:GaN(0001)2x2がECS (electron-counting scheme)を満足するGa-adatomモデルで説明される事などを明らかにした。
また、窒化物のドライエッチングに関しても原子レベルのメカニズムを解明する目的で、ハロゲンエッチング用の高精度な電気化学セル(solid-state electro-chemical cell)を開発し、既存のMBE-STM装置に装備して実験を開始した。その結果、エッチング機構の面指数、表面超構造依存性に関してデータを得て解析を行った。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】1999 - 2000

【配分額】35,200千円 (直接経費: 35,200千円)

【研究分野】固体物性Ⅰ(光物性・半導体・誘電体)

【研究領域課題番号】11874045 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

シリコン / ゲルマニウム / C60分子 / 走査トンネル顕微鏡 / ステップ形状 / Misfit単位 / MBE / STM / Si / Ge

【研究成果の概要】

Si基板上のSi_1-xGex薄膜のエピタキシャル成長では、SiとGe間のMisfitにより転位が規則正しく配列する。本研究は、こうしたMisfit転位網に沿ってC60分子を表面に直線ネットワーク状に配列させることを目的としたものであった。
我々は特殊高温セルを用いるSi_1-xGex-MBE装置をSTMと接続し、実際にSi結晶基板にSi_1-xGex薄膜をエピ成長させ、その表面モフォロジーの変化の過程を原子分解能で詳細に観察した。当初の研究計画では数10nmを超えたSi_1-xGex膜厚において現れるMisfit転位網をC60分子配列のテンプレートとして使用する予定であったが、研究の過程において、数nmの膜厚において成長表面に現れるdimer vacancy line(DVL)の方がテンプレートとしてより適しているとの判断にいたった。DVLはSi(001)表面における表面dimerの幅に量子化された欠陥であり、適当な成長膜厚、およびSi/Ge組成比では表面に直線性良く現れる。このため研究期間中には成長条件を細かく振ることにより、DVL形成過程を詳細に観察した。この後STM-MBE内でSi,Geソースや表面を汚染することなくC60分子を表面に蒸着できる小型セルを作成し、これを用いてDVLが現れる表面へのC60分子蒸着を行い、C60のDVLへの選択的な配列は基板温度に敏感であることを観察した。

【研究種目】萌芽的研究

【研究期間】1999 - 2000

【配分額】1,900千円 (直接経費: 1,900千円)

【研究分野】無機工業化学

【研究領域課題番号】10555308 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ゴニオメーター / 成長ダイナミクス / 表面分析ツール / パルスレーザー堆積法 / レーザー光試料加熱 / Nd:YAGレーザー / step-flow成長 / ベアリング / レーザーMBE / マイクロゴニオメータ / レーザ加熱 / STM / イオン散乱

【研究成果の概要】

酸化物薄膜の成長ダイナミクスを様々な表面分析ツールを用いて解析するには、それ用の試料ステージを作成する必要があるとの認識で研究をスタートした。要件は、(1)超高真空から酸素1気圧までのいかなる環境においても、1000℃以上の高温に加熱でき、試料位置や角度を任意に設定しうるゴニオメーターであること。(2)低速イオンや電子線などの粒子を使う分析用に、磁場の発生が無いこと。従って電流による試料加熱ではなく光を用いた加熱であること、である。
初年度は、第2番目の要件を満たすべく、300W-CW発振のNd:YAGレーザーを購入し、レーザー光を用いた試料加熱の可能性について検討した。ここでは、簡易的に、適当な光学系を用いてレーザー光をビューポートから真空中に導き、試料サセプター(インコネル製)に集光した。約100Wのエネルギーで1cm角の試料を1000℃以上に加熱でき、その制御が可能であることを確認した。この結果、初めて酸化物薄膜のstep-flow成長が可能であることを示した。
次年度は、この結果を受けてゴニオメターの設計と製作を行った。特に(1)加熱部の可動機構のベアリングの選定とその保持機構、(2)真空中での光ファイバーによるレーザー光の取り回しとその反射・集光の部品の選定、光学系の設計と最適化、に苦労した。問題点を一つずつ解決し、最新バージョンでは、毎日の実験を約4ヵ月繰り返してもトラブルの発生しないゴニオメターが完成した。ルーチンの実験では、やはり100W以下のレーザーパワーで1000℃の加熱が可能である。高温でのRHEEDやイオン散乱分光のアジマススキャンも可能であることを確認し、目標仕様を満たす装置としては市販が可能なレベルで完成した。このゴニオ上の基板に、その場で酸化物エピタキシーが可能であること、その薄膜を複合化したSTMを用いて表面の原子レベル解析が可能であることも確認した。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】1998 - 1999

【配分額】13,700千円 (直接経費: 13,700千円)

【研究分野】無機材料・物性

【研究領域課題番号】07405055 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

レーザーMBE / 無機人工格子 / 原子層積層 / 酸化物結晶成長 / RHEED / STM / レーザMBE

【研究成果の概要】

平成7年度からの研究結果をもとに、以下のような研究を行い成果を得た。
1。前二年間で蓄積した人工格子結晶成長のガイドラインを酸化物のみならずカルコゲナイド(Se,Te化物)に拡張し、計算科学の手法を併せ用いるころにより、人工格子材料創成の基本原理を確立した。
2。物性発現と人工格子構造との関係:設計して形成した人工構造において、構造パラメータと物性との関係を明らかにした。誘電特性においては、積層周期と格子歪み及びカチオンの2次元配列の効果を、伝導特性においては金属酸化物、硫化物ブロック層の繰り返し厚さとチャージ供給層のフィリング効果又、カルコゲナイド系で、バンドギャップと光電変換特性を系統的に整理し、人工格子物性発現の統一的な原理を導いた。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】1995 - 1997

【配分額】8,800千円 (直接経費: 8,800千円)