強相関マンガン酸化物における電子相転移の原子スケール学理の構築

• Project/Area Number: 12J09797
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Thin film/Surface and interfacial physical properties
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 清水 亮太 東北大学, 原子分子材料科学高等研究機構, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2012-04-01 – 2015-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2014)
• Budget Amount: ¥3,630,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2014: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2013: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000); Fiscal Year 2012: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000)
• Keywords: マンガン酸化物 / 走査型トンネル顕微鏡/分光法 / 酸化物エレクトロニクス / 金属-絶縁体転移 / 強相関マンガン系酸化物 / 走査トンネル顕微鏡・分光 / 酸化物薄膜 / 超巨大磁気抵抗 / 電荷軌道秩序

Outline of Annual Research Achievements

本年度は，走査トンネル顕微鏡/分光法(STM/STS)によって確認された強磁性金属La0.75Ca0.25MnO3/SrTiO3(100)薄膜における表面絶縁化について，理論計算によりその金属-絶縁体転移の機構を解明し，表面・界面において良好な強磁性金属状態を実現するための指針を検討した．
まず，Caをドープしない母物質のモット絶縁体LaMnO3について検討し，STO基板によるストレインのかかったtetragonal相を初期値として構造最安定化を行った．すると，初期値のtetragonal相がエネルギー極小値をとるため，面内の異方性を反映したzigzag構造をとり得ず，金属的な表面状態が確認され，STM像及びトンネルスペクトルともに再現しなかった．そこで，表面のzigzag構造がバルクのorthorhombic構造に由来すると考え，バルク体の構造データを初期値として表面最安定化を行った．すると，バルクを反映して面内で異方的な構造をとり，STMシミュレーションにおいても当該zigzagを再現した．
これをもとに，Caのドーピングについて考察した．置換サイトを変えて全エネルギーの深さ依存性を計算した結果，Caは表面近傍よりも深い位置で置換されやすいことがわかった．これはイオン半径の差によるMnOx正八面体の傾斜に起因する．またCa置換による大きな正八面体傾斜はSTM像のzigzag構造を消失させた．すなわち，エネルギー的にCaが表面近傍を好まない点はSTMの現象論からも支持される．このように表面・界面では，薄膜内部で想定される構造や組成比とは必ずしも一致せず，より精緻なデバイス設計が求められる．

Research Progress Status

26年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

26年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Imaging the evolution of d-states at a strontium titanate surface (2014)
  • Author(s): I. Hamada, R. Shimizu, T. Ohsawa, K. Iwaya, T. Hashizume, M. Tsukada, K. Akagi, T. Hitosugi,
  • Journal Title: J. Am. Chem. Soc. Volume: 136 Issue: 49 Pages: 17201-17206
  • DOI: 10.1021/ja509231w
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] 最先端顕微鏡で捉えた酸化物薄膜の成長メカニズム (2014)
  • Author(s): 一杉太郎，清水亮太
  • Journal Title: 月刊「化学」 Volume: 69 Pages: 31-36
• [Journal Article] Epitaxial growth process of La_<0.7>Ca_<0.3>MnO_3 Thin Films on SrTiO_3(001) : Thickness-Dependent Inhomogeneity Caused by Excess Ti Atoms (2014)
  • Author(s): Ryota Shimizu, et al.
  • Journal Title: Crystal Growth & Design Volume: 14 Issue: 4 Pages: 1555-1560
  • DOI: 10.1021/cg4013119
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Visualizing Atomistic Formation Process of SrO_x Thin Films on SrTiO_3 (2014)
  • Author(s): T. Ohsawa, R. Shimizu, et al.
  • Journal Title: ACS Nano Volume: 8 Issue: 3 Pages: 2223-2229
  • DOI: 10.1021/nn405359u
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Atomic-scale investigations of perovskite oxide heteroepitaxy (2014)
  • Author(s): T. Ohsawa, R. Shimizu, et al.
  • Journal Title: Journal of The Ceramic Society of Japan Volume: (in press)(掲載確定)(未確定)
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 走査トンネル顕微鏡を用いた酸化物薄膜成長のその場観察 (2013)
  • Author(s): 一杉太郎, 清水亮太, 大澤健男, 岩谷克也
  • Journal Title: 応用物理 Volume: 82 Pages: 141-145
  • NAID: 10031140521
• [Journal Article] Effect of oxygen deficiency on SrTiO_3(001) surface reconstructions (2012)
  • Author(s): Ryota Shimizu, et al.
  • Journal Title: Applied Physics Letters Volume: 100 Issue: 26 Pages: 263106-263109
  • DOI: 10.1063/1.4730409
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Atomic-scale study of the topographic and electronic structure of a SrTiO3(100)-(√13×√13)-R33.7o reconstructed surface (2014)
  • Author(s): R. Shimizu, I. Hamada, T. Ohsawa, K. Iwaya, K. Akagi, M. Tsukada, T. Hitosugi
  • Organizer: The 7th International Symposium on Surface Science
  • Place of Presentation: くにびきメッセ (松江市)
  • Year and Date: 2014-11-02 – 2014-11-06
• [Presentation] La0.7Ca0.3MnO3薄膜表面における構造・電子状態の原子スケール観察 (2014)
  • Author(s): 清水亮太，岩谷克也，大澤健男，中村俊也，安藤康伸，南谷英美，渡邉聡，一杉太郎
  • Organizer: 第75回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 北海道大学 (札幌市)
  • Year and Date: 2014-09-17 – 2014-09-20
• [Presentation] STM/STSを用いたLa0.7Ca0.3MnO3薄膜表面の構造・電子状態評価I (実験) (2014)
  • Author(s): 清水亮太，岩谷克也，大澤健男，中村俊也，安藤康伸，南谷英美，渡邉聡，一杉太郎
  • Organizer: 日本物理学会2014年秋季大会
  • Place of Presentation: 中部大学 (春日井市)
  • Year and Date: 2014-09-07 – 2014-09-10
• [Presentation] STM/STSを用いたLa0.7Ca0.3MnO3薄膜表面の構造・電子状態評価II(理論) (2014)
  • Author(s): 中村俊也，安藤康伸，南谷英美，清水亮太，岩谷克也，大澤健男，一杉太郎，渡邉聡
  • Organizer: 日本物理学会2014年秋季大会
  • Place of Presentation: 中部大学 (春日井市)
  • Year and Date: 2014-09-07 – 2014-09-10
• [Presentation] Nd_<0.6S>r_<0.4>MnO_3薄膜のSTM観察における成長時の酸素分圧依存性 (2014)
  • Author(s): Ryota Shimizu, et al.
  • Organizer: 第61回応用物理学春季学術講演会
  • Place of Presentation: 青山学院大学
  • Year and Date: 2014-03-18
• [Presentation] STM study of perovskite-manganite thin films : Dependence of oxygen partial pressures during growth (2014)
  • Author(s): Ryota Shimizu et al.
  • Organizer: The AIMR International Symposium 2014
  • Place of Presentation: Sendai,Japan
  • Year and Date: 2014-02-17
• [Presentation] マンガン酸化物薄膜の膜厚依存成長過程の原子スケール観察 (2013)
  • Author(s): 清水亮太
  • Organizer: 第60回応用物理学春季学術講演会
  • Place of Presentation: 神奈川工科大学
  • Year and Date: 2013-03-28
• [Presentation] Atomically-resolved growth process of a manganite thin film depending on the thickness (2013)
  • Author(s): Ryota Shimizu, et al.
  • Organizer: The AIMR International Symposium 2013
  • Place of Presentation: Sendai, Japan
  • Year and Date: 2013-02-20
• [Presentation] Atomic-scale visualization of initial growth process of homoepitaxial SrTi0_3 on a tomically-controlled SrTi0_3(001) substrate surfaces (2012)
  • Author(s): Ryota Shimizu, et al.
  • Organizer: Workshop on Oxide Electronics 19
  • Place of Presentation: Apeldoorn, Netherlands
  • Year and Date: 2012-10-01
• [Presentation] 酸化物基板の最表面構造:その平坦化プロセス依存性 (2012)
  • Author(s): 清水亮太
  • Organizer: 第73回応用物理学会学術講演会
  • Place of Presentation: 愛媛大学
  • Year and Date: 2012-09-12
• [Remarks]
  • URL: http://www.wpi-aimr.tohoku.acjp/hitosugi_labo/
• [Remarks]
  • URL: http://www.wpi-aimr.tohoku.ac.jp/hitosugi_labo/