【研究領域課題番号】20K15170 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

半導体 / エピタキシャル成長 / 光電子物性 / カルコゲナイド / ペロブスカイト / 薄膜 / 発光

【研究成果の概要】

本研究課題では、III-V族半導体をベースとした発光ダイオードが抱えるグリーンギャップ問題（緑色波長領域において発光量子効率が激減する課題）の抜本的解決を目指し、非結合性軌道とバンドフォールディングに着目した独自の化学的材料設計指針に基づき見いだされたペロブスカイト型硫化物半導体SrHfS3のエピタキシャル薄膜を用いたpnホモ接合を作製することで、SrHfS3の緑色発光ダイオード特性を評価することを目的としている。
本研究では、高品質なSrHfS3多結晶焼結体をターゲットとしたパルスレーザー堆積法を用いることで、二次的なアニール処理による表面汚染を避け、清浄かつ平坦表面が実現出来るin-situでのSrHfS3薄膜の作製、さらにはそのエピタキシャル薄膜成長を試みた。その結果、基板温度とパルスレーザー強度といった薄膜成長条件を最適化することで、斜方晶構造を反映した2階の面内回転対称性を有するドメインが互いに90度ずつずれて成長するツインドメインのSrHfS3エピタキシャル薄膜を得ることに成功した。
本年度はその結晶品質の更なる最適化を行った。

【研究種目】若手研究

【研究期間】2020-04-01 - 2023-03-31

【配分額】4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)

【研究領域課題番号】18K18732 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

超伝導 / カルコゲナイド / 原子層物質 / 界面超伝導 / 薄膜 / 水素 / チタン酸ストロンチウム / 2次元超伝導 / 2次元物質 / 酸化物半導体 / 水素化 / 水素修飾 / SrTiO3 / ペロブスカイト / 鉄系超伝導 / 電子フォノン相互作用

【研究成果の概要】

本研究では、二次元超伝導FeSeについてその薄膜の作製と電気伝導による評価によって超伝導 の性質を調査するものである。具体的には、FeSe/SrTiO3(STO)の界面が超伝導特性に重要であると考えられているため、STO表面におけるデバイ振動数を増加させれば超伝導転移温度Tc を増大させることができるのではと考えた。方法としては軽い元素の水素を修飾することによって界面のデバイ振動数を増加させることを計画した。要素技術として我々は、STO表面に水素を修飾させる技術を開発した。これによりSTO表面が水素原子によって覆われ水素からの電子ドープによってSTO表面が半導体的挙動を示すことを発見した。これを踏まえこの表面にFeSe薄膜を作製すればFeSeとSTOの界面に水素原子を導入することができる。ただ、FeSe自体の超伝導観測もハードルが高く、まず膜厚が1~数原子層程度であることから大気暴露ができないこと、超伝導に影響を与えないキャップ層の形成が難しいこと、抵抗率が低いため 電気伝導率の測定装置を含めた全体的なシステムの開発が必要であることなどが挙げられる。また超伝導実現のためにはSTO表面の化学的・熱的処理が必要でありその最適化も重要である。このため我々は良質な単結晶FeSe薄膜作製の技術開発から行った。また電気伝導測定は超高真空中で行うために、専用の装置（独立駆動4短針STM）を用意した。結果として、STO表面を原子レベルで平坦にすることに成功し、またその上に良質なFeSe単結晶薄膜を作製することに成功した。また電気伝導測定も行い特性を調べたが、降温に伴って抵抗の低くなる金属的な挙動が得られており、超伝導化にはさらなる条件最適化が必要であることが分かった。今後更に条件を詰めて早いうちに超伝導観測と、界面の水素化による影響を調べていきたい。

【研究種目】挑戦的研究(萌芽)

【研究期間】2018-06-29 - 2023-03-31

【配分額】6,240千円 (直接経費: 4,800千円、間接経費: 1,440千円)

【研究分野】応用物性

【研究領域課題番号】17K14105 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

遷移金属酸化物 / エピタキシャル薄膜 / 磁気異方性 / 結晶構造 / ペロブスカイト / エピタキシャル歪み / エピタキシャル / 酸化物 / 正方晶歪み / 薄膜 / 圧電体

【研究成果の概要】

本研究では、大きな圧縮歪を与えることで結晶構造の大きな変化が期待できるSr1-xBaxVO3系薄膜のパルスレーザー堆積法による物性評価を行った。Ba置換量の増加につれ面直・面内格子定数比が伸びるとともに絶縁体化することを確認した。巨大正方晶相を示唆する第二次高調波発生のシグナルは観測できなかったが、薄膜方向の体積が十分でないためと思われる。また、大きな圧縮歪みを印加できる機能性薄膜として四重ペロブスカイトCeCu3Mn4O12薄膜の合成と機能探索を行った。その結果、四重ペロブスカイトでは初めて圧縮・引張り歪における磁気異方性の制御を達成した。

【研究の社会的意義】

本研究計画では、 パルスレーザー堆積法の長所を利用した新たな結晶構造の合成に至った。
特に、四重ペロブスカイト酸化物の薄膜育成手法が確立したことで、巨大常誘電性や電荷移動、負熱膨張特性や触媒機能、ハーフメタル特性を持つ類似物質の大面積合成が可能となると期待される。また、格子定数の小さい化合物の層を挿入することで垂直磁化を実現する手法も、他の強磁性薄膜に応用可能と期待される。

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2017-04-01 - 2020-03-31

【配分額】4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円)

【研究分野】薄膜・表面界面物性

【研究領域課題番号】26246022 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

酸化物表面 / 界面 / 走査プローブ顕微鏡 / 走査トンネル顕微鏡 / ペロブスカイト / 二次元電子状態 / 超伝導 / 金属酸化物 / 表面 / 酸化物エレクトロニクス / 薄膜 / 酸化物薄膜 / 表面科学 / 表面・界面物性 / 強相関エレクトロニクス / 強相関電子系 / 超薄膜 / 電気伝導 / 二次元電子 / 酸化物 / 表面・界面

【研究成果の概要】

遷移金属酸化物は、通常の半導体には見られない多彩な機能を示すことから、次世代エレクトロニクス材料として活発な研究が展開されている。近年、酸化物作製技術が急速に発展したことにより、原子レベルで急峻な界面を有する薄膜やヘテロ構造の作製が可能になり、新しい物性・機能が見出されている。このような酸化物薄膜やヘテロ構造が示す機能の探求・解明のためには、酸化物薄膜について、電子状態評価を原子レベル空間分解能で行うことが重要である。
そこで、我々は独自の走査トンネル顕微鏡-成膜装置複合システムを構築し、遷移金属酸化物薄膜表面・界面の原子構造と電子状態に関する研究を進めた。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2014-04-01 - 2018-03-31

【配分額】36,530千円 (直接経費: 28,100千円、間接経費: 8,430千円)

【研究分野】薄膜・表面界面物性

【研究領域課題番号】16206005 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ミュオン / 超低速ミュオン / 薄膜 / ライマンα / μ^+SR / 共鳴イオン化法 / ペロブスカイト / 加速器 / 偏極 / スピン / 低速ミュオン / 物性 / 水素原子 / 表面 / レーザー

【研究成果の概要】

加速器で得られる高速なミュオンを低速化する手法として、我々は少々複雑な過程でミュオンを減速させている。きっかけは、高エネルギーのミュオンをタングステン(W)に打ち込むと、4%もの高い効率で、電子と正のミュオンが結合したミュオニウム原子(Mu)が完全に熱化して、真空中にでてくる事を実験的に発見したことに始まる。その骨子は第1に、真空中での熱エネルギーMu生成から始まり、第2にこの真空中に漂いでてきたMuをレーザー光によって効率良くイオン化し、電子を剥ぎ取り、第3に生成した超低速ミュオンを効率よく引き出すというものである。KEK-MSLで得られる500MeV陽子シンクロトンの陽子ビームと比して、60倍もの陽子ビーム強度を誇る英国ラザフォードアップルトン研究所、理研-RAL研究施設において、ライマンα(Lα)光共鳴法を用いた超低速ミュオン分光装置(u^+SR実験装置)を組み上げ、実際に薄膜研究を行うのが目的である。本科学研究費を交付して頂き、u^+SR実験装置の日本からの移設も完了し、u^+SRの最初のテスト実験を行うことができた。その結果、超低速ミュオンビームが薄膜や、多層膜などのあらたな対象にも十二分に威力を発揮することができる超低速ミュオンビーム用uSR分光装置を作り上げることを達成できた。現在、ペロブスカイト化合物のSrTiO_3(011)基盤上で成長させたNd_0.5Sr_0.5MnO_3で最近発見されたAnti-Phase Antiferroorbital Orderingのu^+SR研究にとりかかっているところである。既に、超低速ミュオンを用いたゼロ磁場uSR実験での結果では、室温で1〜0.05usec^-1程度の長い緩和が観測された。しかしながら220Kでは、ミュオンの偏極はほぼ完全に失われた。これはV. V. Krishnamurthyらによるバルク体のZF測定と合致し、パラマグネッチックな絶縁相から強磁性への転移が超低速ミュオンを使った薄膜の実験でデモンストレートされたといってよいであろう。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2004 - 2006

【配分額】45,760千円 (直接経費: 35,200千円、間接経費: 10,560千円)

【研究分野】無機材料・物性

【研究領域課題番号】13450266 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ドーピング / 薄膜 / 格子定数 / 半導体 / ペロブスカイト / MOD / TEM / PLD / 半導体化 / MOCVD / スパッタリング

【研究成果の概要】

本研究は今後電子セラミックス部品やメモリーデバイスなどに広く利用されることが予想されるペロブスカイト構造セラミックス薄膜に見られるバルク体(焼結体)とは異なる、いわば異常現象を明らかにし、その機構を解明して、セラミック薄膜の特異性から新たな機能を探索する手がかりを得ようとするものである。ここでの特異性は異種原子のドーピング化の難易性、固溶域の拡大、超格子の出現、超薄層からなる積層体の出現などである。本研究では、種々の方法で作成したセラミックス薄膜におけるドーピング異常現象をデータから探索し、物性との関係を検討した。その結果、(1)PLD法で作製したSrTiO_3薄膜ではMOCVDで作製した薄膜と同様に広いSr/Ti比において単相のペロブスカイト相が生成し、格子定数が連続的に大きく変化することを見いだした。これらの試料のTEM観察からは顕著な格子欠陥は見られなかった。一方、化学溶液法であるMOD法で作製したSrTiO_3薄膜はアモルファスとなり、結晶化しなかった。さらに、作製した薄膜の還元熱処理により電流-電圧特性のSr/Ti比依存性を調べた。その結果、電流-電圧特性が直線的に成るものとバリスタ特性を示すものがあることが明らかになった。さらに、(2)バルクでは安定化ジルコニア(YSZ)中にNbはほとんど固溶しないが、PLD法でNbを添加したYSZ薄膜を作製すると、少なくとも20mol%までのNb_2O_5添加までYSZの格子定数は連続的に変化し、容量-電圧特性が著しく改善されることが見いだされた。これらの例が示すように、薄膜ではバルクでは理解することができない多くの異常現象が見いだされた。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2001 - 2003

【配分額】15,400千円 (直接経費: 15,400千円)

【研究分野】無機材料・物性

【研究領域課題番号】12875121 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

PLD / MOCVD / バッファー層 / 薄膜 / ペロブスカイト / パイロクロア / リラクサー / エピタキシャル成長 / 蛍石型構造 / ペロブスカイト構造 / CeO_2 / SrTiO_3

【研究成果の概要】

緩和型誘電体であるPb(Mg_<1/3>Nb_<2/3>)O_3(PMN)および強誘電体であるPb(Zr, Ti)O_3(PZT)薄膜は現在精力的に研究が進められている。これらのペロブスカイト型化合物薄膜作製上の共通の問題点として、常誘電体のパイロクロア型化合物が生成し易いという間題点がある。本研究では類似多形であるペロブスカイト型化合物とパイロクロア型化合物が存在する系においてペロブスカイト型化合物を選択的に安定化させた薄膜を作製するための指導原理を検討した。薄膜はPt/IrO_2/SiO_2/Si基板上に作成した。PMN薄膜はPLD法で、PZT薄膜はMOCVD法作成した。その結果、PMN薄膜については、基板上に直接成膜を行ったところ、パイロクロア型化合物の単相薄膜となり、ペロブスカイト型化合物は全く生成しなかった。ところが、基板上に単位格子1〜数層分という極めて薄いBaTi03シード層を導入したところ、パイロクロア型化合物の生成は完全に抑制され、単相のペロブスカイト型化合物が生成することが明らかになった(基板温度:600℃)。PZT薄膜についてはシード層の導入なしでも基板温度を600℃以上とすると単相のペロブスカイ型化合物が生成したが,基板温度を400℃まで低下させるとパイロクロア型化合物のみが生成する。ところが、基板上に単位格子1〜数層分という極めて薄いSrTiO_3シ一ド層を導入したところ、ペロブスカイト型化合物の単相薄膜が得られることを見いだした。さらに、この方法により、M0CVD法ではPZTの結晶化温度を350℃まで低温化三せることが可能となった。一方、SrTiO_3シード層の膜厚を数十層分と大きくすると、逆にペロブスカイト型化合物の結晶性は著しく低下することが明らかになった。このことは、ペロブスカイト構造の安定化には単にSrTiO_3が必要というわけではなく、微構造や表面エネルギーが重要であることを示唆している。

【研究種目】萌芽的研究

【研究期間】2000 - 2001

【配分額】2,300千円 (直接経費: 2,300千円)