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Thin-film stabilization of polar oxide semiconductors and the development of multi-level ferroelectric memory devices

Research Project

Project/Area Number 19H02423
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Review Section Basic Section 26020:Inorganic materials and properties-related
Research InstitutionTohoku University

Principal Investigator

Fujiwara Kohei  東北大学, 金属材料研究所, 准教授 (50525855)

Project Period (FY) 2019-04-01 – 2022-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2021)
Budget Amount *help
¥18,200,000 (Direct Cost: ¥14,000,000、Indirect Cost: ¥4,200,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
Fiscal Year 2020: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
Fiscal Year 2019: ¥14,820,000 (Direct Cost: ¥11,400,000、Indirect Cost: ¥3,420,000)
Keywords酸化物エレクトロニクス / 酸化物半導体 / 強誘電体 / パルスレーザー堆積法 / LiNbO3型酸化物 / イルメナイト型酸化物 / コランダム型酸化物 / 薄膜 / 強誘電メモリ / 電気伝導性酸化物
Outline of Research at the Start

バルク高圧合成の発展により、新規LiNbO3型酸化物の発見が相次いでいる。特に、ZnSnO3は、構造由来の自発分極と電子有効質量の小さいSn 5s伝導帯を有する極性酸化物半導体であることが提案されており、強誘電性と高移動度の協奏による新機能素子への展開が期待される。本研究では、代表者が分子線エピタキシー成長による薄膜安定化を確立したZnSnO3および薄膜新物質MgSnO3を舞台に、ヘテロ界面型強誘電メモリを開発することを目指す。同時に、イルメナイト型およびコランダム型酸化物における機能物性を開拓し、関連物質の学理構築と素子応用を推進する。

Outline of Final Research Achievements

A LiNbO3-type oxide semiconductor, ZnSnO3, holds potential as a new channel material for ferroelectric memory devices because both high-mobility conduction and ferroelectricity can occur in the single ZnSnO3 layer. In this project, fundamental investigations towards the experimental verification of the ferroelectric polarization reversal have been performed. Using X-ray photoemission electron spectroscopy, the valence states of metal cations were identified for ZnSnO3 and MgSnO3 films. By vacuum deposition technique, a new corundum-type conductive oxide, (Cr,Ru)2O3, which is applicable to a bottom electrode layer of a capacitor structure for the polarization reversal experiment, has been synthesized.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

合成が困難なためこれまで物性がほとんど明らかにされていないZnSnO3を用いた研究を実施したことで、関連物質の薄膜化研究およびエレクトロニクスへの応用を目指した素子化研究が加速するものと期待される。真空成膜プロセスの高い非平衡性を利用した新物質(Cr,Ru)2O3の開発および異常原子価Ru3+の発見は、酸化物物質の合成に新たなアプローチを提示するものであり、その学術的意義は大きい。

Report

(4 results)
  • 2021 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2020 Annual Research Report
  • 2019 Annual Research Report
  • Research Products

    (11 results)

All 2021 2020 2019

All Journal Article (3 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 3 results,  Open Access: 2 results) Presentation (7 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Invited: 5 results) Book (1 results)

  • [Journal Article] Formation of ilmenite-type single-crystalline MgTiO3 thin films by pulsed-laser deposition2021

    • Author(s)
      M. Negishi, K. Fujiwara Kohei, and A. Tsukazaki
    • Journal Title

      AIP Advances

      Volume: 11 Issue: 12 Pages: 125125-125125

    • DOI

      10.1063/5.0078021

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Insulator-to-Metal Transition of Cr2O3 Thin Films via Isovalent Ru3+ Substitution2020

    • Author(s)
      Fujiwara Kohei、Kitamura Miho、Shiga Daisuke、Niwa Yasuhiro、Horiba Koji、Nojima Tsutomu、Ohta Hiromichi、Kumigashira Hiroshi、Tsukazaki Atsushi
    • Journal Title

      Chemistry of Materials

      Volume: 32 Issue: 12 Pages: 5272-5279

    • DOI

      10.1021/acs.chemmater.0c01497

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Stabilization of a honeycomb lattice of IrO6 octahedra by formation of ilmenite-type superlattices in MnTiO32020

    • Author(s)
      K. Miura K. Fujiwara K. Nakayama R. Ishikawa N. Shibata A. Tsukazaki
    • Journal Title

      Communications Materials

      Volume: 1 Issue: 1 Pages: 55-55

    • DOI

      10.1038/s43246-020-00059-1

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Presentation] 新奇デバイス機能の実現に向けた金属酸化物の薄膜化研究2021

    • Author(s)
      藤原 宏平
    • Organizer
      2021年日本表面真空学会学術講演会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] Ru置換Cr2O3薄膜における絶縁体金属転移とRu3+状態2021

    • Author(s)
      藤原 宏平、北村 未歩、志賀 大亮、丹羽 尉博、堀場 弘司、野島 勉、太田 裕道、組頭 広志、塚﨑 敦
    • Organizer
      第68回応用物理学会春季学術講演会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] イルメナイト型酸化物超格子におけるIrO6ハニカム格子の安定化2021

    • Author(s)
      藤原 宏平、三浦 径、仲山 啓、石川 亮、柴田 直哉、塚﨑 敦
    • Organizer
      第68回応用物理学会春季学術講演会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] 極性構造・異常原子価・ハニカム格子に着目した酸化物薄膜研究2021

    • Author(s)
      藤原 宏平
    • Organizer
      酸化物研究の新機軸に向けた学際討論会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] 高移動度スズ系酸化物の薄膜合成と界面伝導評価2019

    • Author(s)
      藤原 宏平
    • Organizer
      日本放射光学会第11回若手研究会「放射光を用いたナノ分光技術とスピントロニクスとの協奏」
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] New aspects of Sn-based transparent conducting oxides: high-mobility interface and its potential coupling with spontaneous polarization2019

    • Author(s)
      藤原 宏平
    • Organizer
      KIST-KINKEN symposium 2019, Korea Institute of Science and Technology
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Thin-film growth and interface engineering of high-mobility Sn oxides2019

    • Author(s)
      藤原 宏平
    • Organizer
      Dept. Phys. Seminar, University of Seoul
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Book] 高分子絶縁材料の絶縁破壊・劣化メカニズムとその対策技術2021

    • Author(s)
      藤原 宏平
    • Total Pages
      8
    • Publisher
      技術情報協会
    • ISBN
      9784861048210
    • Related Report
      2021 Annual Research Report

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Published: 2019-04-18   Modified: 2023-01-30  

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