Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

物性物理 / 低温物性 / ヘリウム / 超流動 / 弾性 / 量子相転移 / グラファイト / 窒化ホウ素 / ヘリウム薄膜 / 水素 / 超固体 / グラフェン / 薄膜

2次元量子多体系であるグラファイト(Gr)表面上ヘリウム(4He)薄膜の弾性率が低温で増大する「弾性異常」を発見し、更に吸着第2層で超流動と剛性が共存することを示唆する結果を得た。弾性異常の存在から、Gr上He薄膜が他He薄膜と同様に、局在状態と空間的に拡がった励起状態を有し、吸着量の増加による超流動の発現は局在状態と拡がった状態間の「量子相転移」と解釈できることを明らかにした。これはヘリウム薄膜の諸性質が「量子相転移」描像で普遍的に理解できることを示す重要な成果である。また六方晶窒化ホウ素(hBN)表面上4He薄膜の弾性と超流動性がGr上薄膜と定性的に同様の挙動を示すことも明らかにした。

グラファイト(Gr)上ヘリウム(He)薄膜は最も古くから知られる2次元系であるが、近年の2次元系研究潮流の中で改めて注目されている。特に超流動固体や量子スピン液体などの新奇量子相の発現が期待される。本研究は弾性測定によりHe薄膜のエネルギー構造を解明するというユニークなアプローチで、局在状態と拡がった状態間の量子相転移描像が他のHe薄膜同様に成り立つことを明らかにした。また超流動性と剛性の共存を示唆する結果を得ており、超流動固体や量子液晶の新しい例として学術的重要性は高い。さらに六方晶窒化ホウ素表面上He薄膜の実験を初めて行い、新しい2次元量子多体系を開拓しつつある。

弾性 / 材料試験 / 非破壊検査 / 超音波 / 薄膜 / 積層構造 / 超音波顕微鏡 / LSI

近年,3次元的多層積層構造を有する超LSIが検討されるようになった.この多層積層構造超LSIでは,基盤上に絶縁層や半導体層,配線などのμm程度の厚さの薄膜積層構造を有している.この形成には熱処理工程があり,各層の熱膨張係数の違いに起因する残留応力が発生し,信頼性低下をもたらす.このため,LSI内部の応力解析が近年試みられているが(1),解析に用いられる弾性係数は巨視的試験片での値を用いており,巨視的試験片と結晶配列の異なる薄膜の弾性係数が巨視的試験片と同じである保証はない.従来の薄膜の弾性係数測定手法は,薄膜材料を基盤から剥離して変形させ,変形逆解析する方法(2)(3)や,薄膜に圧子を押込み,接触論を利用した逆解析を行なう方法(4)などがあるが,特殊な薄膜を要求したり,必要な膜厚が100μm程度であり,実際の薄膜には適当でない.超音波顕微鏡は試料表面近傍に表面波を励起することで試料の弾性的性質の情報を引出すシステムであり,薄膜剥離検出などに用いられているが,同時に非破壊的に表面弾性波を実測可能である.そこで本研究では,この超音波顕微鏡を用いて基盤上の薄膜弾性係数を測定する手法を解析的に検討し,ガラス基盤上のアルミニウム薄膜に適用し,その有効性を明らかにした.薄膜の弾性係数測定に試料表面の弾性的特性の定量的評価が可能な超音波顕微鏡を適用した.薄膜試験片に対して実測値と解析値を比較し,薄膜の弾性係数を測定する手法を開発し,実際に適用した.得られた結果を要約すれば以下のとおりである.(1)超音波顕微鏡の音速測定精度は,各種影響因子を考慮することで向上し,絶対精度±0.49%が得られた.(2)薄膜試験片では,音速の膜厚依存性,周波数依存性が実測され,これを用いて,薄膜の弾性係数を評価する手法を示した.(3)アルミニウム薄膜弾性係数はバルク状態よりも10%程度減少した.

【研究分担者】
轟章	東京工業大学	工学部	助教授	(Kakenデータベース)
中村春夫	東京工業大学	工学部	助教授	(Kakenデータベース)
小林英男	東京工業大学	工学部	教授	(Kakenデータベース)