【研究分野】固体物性Ⅱ(磁性・金属・低温)

【研究領域課題番号】13440109 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

モット絶縁体 / 半導体物理 / 微小ドーピング / ナノスケール電子状態 / 電荷秩序 / 電界効果トランジスタ / ペロブスカイトトランジスタ / 電荷効果トランジスタ / モット半導体 / キャリアドーピグ / Ca_<2-x>Na_xCuO_2Cl_2 / 電界効果型トランジスタ(FET) / SrTiO_3 / 強相関エレクトロニクス / 強相関半導体 / ドーピング / Ca_2CuO_2Cl_2 / ケミカルポテンシャルシフト / 磁性-誘電結合

【研究成果の概要】

本研究の目標はモット絶縁体の半導体物理とも言うべき分野を切り拓くことにある。その柱の一つは、ドーピングの物理であった。微小ドープモット半導体の典型例としてCa_<2-x>Na_xCuO_2Cl_2に着目し,1年目にナノスケールの電子の自己組織化の兆候を見出し、さらにその詳細を追求した。その結果が最終年度におけるチェッカーボード型の電荷秩序(電子固体)パターンの発見として結実した。この電荷秩序の存在は、ドープされたモット絶縁体としての高温超伝導体の諸問題、例えば大きな擬ギャップの起源、に直接答えるものである。これと並行する形で、強磁性寸前の強相関金属においてドーパントの周囲でのナノスケール電子状態変化が観測され、局所的軌道状態などの物理に迫ることができた。これらの結果はモット絶縁体の不純物物理を構築するための大きなブレークスルーであると自負している。さらに大きく発展させたい。
もう一方の柱はエキゾチック半導体を用いたデバイス、特に電界効果型トランジスタ(FET)、を実際に作製することであった。研究スタート一年後に、米国でのデータ捏造事件の発生によって、内外の研究の現状の認識が大きく後退した。酸化物を用いたデバイスを構築が酸化物(強相関)エレクトロニクスの基盤技術として強く要請されることとなった。ペロブスカイト型SrTiO_3において、スレショルド電圧の存在、ドレイン電流の飽和、キャパシタンスの変化などを伴う明確なFET特性を示すデバイスを構築することに世界で初めて成功した。さらにKTaO_3ペロブスカイトへと展開し、アモルファスシリコンFETに迫る高い移動度を有するデバイスの構築に成功した。これらのデバイスを用いて2Kの低温において界面に金属状態を形成することに成功した。さらに低温で超伝導の発現に期待すると同時に、エキゾチックペロブスカイトへ展開するだけの技術が完成された。

【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】無機工業化学

【研究領域課題番号】09355030 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

次世代エレクトロニクス材料 / 酸化物人工超格子 / 原子レベル設計 / 量子ドット / α-Al_2O_3 / MgO / 結晶成長シミュレーション / MOMODY / エレクトロニクス材料 / 3次元周期境界条件密度汎関数計算 / ZnO / 紫外レーザー / ドーピング / SrTiO_3

【研究成果の概要】

酸化物は高温超伝導や巨大磁気抵抗などの発見に見られるように、半導体にはない様々な物性を発現し、次世代のエレクトロニクス材料として大きな期待が集まっている。これらの酸化物結晶の機能発現には、その構造制御が重要な鍵となる。特に超機能性を有する酸化物人工超格子を創製するには、厳密かつ正確な理論に基づく原子レベルでの構造設計が必須である。このような観点から本研究では、酸化物人工超格子の物性予測のみならず、酸化物人工超格子の機能発現に係わる2次元エピタキシャル成長機構を理論化学的に解明し、いかに原子レベルで平坦かつ均一なヘテロ接合を構築できるか、どのような積層パターンが安定なヘテロ接合となりうるか、理想的な界面構造を実現する最適なバッファー層は何かを明らかにすることを試みた。具体的には酸化物人工超格子の合成過程をシミュレーションするとこが可能な新しい分子動力学計算プログラムMOMODYを開発し、酸化物人工超格子の成長メカニズム、界面構造、格子ミスマッチの緩和、界面反応、表面欠陥などの解明や、最適なバッファー層の選択、最適合成条件の探索を通して、酸化物人工超格子の原子レベル設計を行った。その結果、YBCOなどの超伝導酸化物に対して格子マッチングの良好な基板を作成する手段として、TiO_2層を最表面とするSrTiO_3(001)基板上にSrO層を1層積んだ後に、BaO層を積む方法が適切であること、MgOの面方位による安定性の違いを利用してサファイア上に量子ドットの作製が可能であることなど多くの重要な知見を得ることに成功した。また、粗視化分子動力学法、高速化量子分子動力学法の開発も行い、より巨大な系や複雑に電子状態の変化を含む系への適用も可能となった。このように新規計算化学的手法を開発し、酸化物の結晶成長過程に適用することで、酸化物人工超格子の原子レベル設計と開発に繋がる実のりある成果をあげることができた。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】1997 - 1999

【配分額】28,100千円 (直接経費: 28,100千円)