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Investigation and controlling of a quasi-dopant effect at a ferroelectric charged surface and interface

Research Project

Project/Area Number 19K04495
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (C)

Allocation TypeMulti-year Fund
Section一般
Review Section Basic Section 21050:Electric and electronic materials-related
Research InstitutionUniversity of Hyogo

Principal Investigator

Nakashima Seiji  兵庫県立大学, 工学研究科, 准教授 (80552702)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 藤澤 浩訓  兵庫県立大学, 工学研究科, 教授 (30285340)
Project Period (FY) 2019-04-01 – 2022-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2021)
Budget Amount *help
¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
Fiscal Year 2020: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
Fiscal Year 2019: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
Keywords強誘電体 / 半導体物性 / 擬似ドーパント / 帯電ドメイン壁 / バンド構造 / 擬似ドーパント効果 / エネルギーバンド変調 / グラフェン / BiFeO3 / ビスマスフェライト / 薄膜 / 転写 / バンド変調 / 金属/強誘電体界面 / 帯電ドメインウォール
Outline of Research at the Start

半導体のキャリア制御は不純物のドープによって実現される。しかし、強誘電体の自発分極を用いることで、この不純物ドープと同等な効果が期待できる。また、この自発分極の向きは電場印加により反転することから、電気的に半導体等のキャリア制御が可能である。この効果は擬似ドーパント効果とよばれている。本研究ではこの擬似ドーパント効果による電子構造の変化を直接観察し、その制御を実現する。

Outline of Final Research Achievements

In this research, we have investigated the effect of band modulation due to spontaneous polarization switching, which is indispensable when a ferroelectric is used as a semiconductor. Firstly, the effect of Mn on the band structure in the Au/Mn-doped BiFeO3 (BFMO) structure have been clarified. In addition, the bulk photovoltaic effect has been investigated in detail as a property of the ferroelectric semiconductor, and it was shown that the band structure modulation greatly affects the open circuit voltage. As a result, a huge voltage of 852V at -193 °C have been successfully generated. Secondary, the band modulation due to spontaneous polarization switching in the graphene/BFMO structure has been clarified by a photoemission electron microscope. Thirdly, the charged DW, which is the ferroelectric/ferroelectric interface, can be artificial introduced to an arbitrary position in the BFMO film, and confirmed its conductivity modulation.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

近年、半導体デバイスの高集積化が限界に達しつつある。加えて機械学習の発展により脳型コンピューティングのニーズが高まっている。本研究の成果はこれまで絶縁体として扱われてきた強誘電体を半導体として用いることで、今までにない新機能をもつデバイスの創出に寄与するものである。特に強誘電体のバルク光起電力効果は光メモリ、高効率太陽電池の創出が期待でき、自発分極による自身の導電性変調はインメモリコンピューティングを実現する導電性スイッチングメモリへの応用に期待できる。

Report

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

    (40 results)

All 2022 2021 2020 2019

All Journal Article (6 results) (of which Peer Reviewed: 5 results,  Open Access: 3 results) Presentation (34 results) (of which Int'l Joint Research: 6 results,  Invited: 5 results)

  • [Journal Article] Impact of film thickness on the external quantum efficiency of bulk photovoltaic effects in Mn-doped BiFeO<sub>3</sub> thin films2021

    • Author(s)
      Nakashima Seiji、Kato Ren、Fujisawa Hironori
    • Journal Title

      Japanese Journal of Applied Physics

      Volume: 60 Issue: SF Pages: SFFB02-SFFB02

    • DOI

      10.35848/1347-4065/ac0ffb

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    • Author(s)
      Fujisawa Hironori、Ikeda Kazuma、Nakashima Seiji
    • Journal Title

      Japanese Journal of Applied Physics

      Volume: 60 Issue: SF Pages: SFFB10-SFFB10

    • DOI

      10.35848/1347-4065/ac127c

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    • Author(s)
      S. Nakashima and H. Fujisawa
    • Journal Title

      SPring-8 /SACLA Research Frontiers 2020

      Volume: - Pages: 62-63

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    • Author(s)
      Nakashima Seiji、Higuchi Tohru、Yasui Akira、Kinoshita Toyohiko、Shimizu Masaru、Fujisawa Hironori
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 10 Issue: 1

    • DOI

      10.1038/s41598-020-71928-5

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    • Author(s)
      S. Nakashima, Y. Fuchiwaki, N. Happo, K. Kimura, Y. Yamamoto, R. Matsumoto, K. Hayashi, and H. Fujisawa
    • Journal Title

      Jpn. J. Appl. Phys.

      Volume: 59 Issue: 1 Pages: 010602-010602

    • DOI

      10.7567/1347-4065/ab579d

    • NAID

      210000157579

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    • Author(s)
      S. Nakashima, S. Kimura, Y. Kurokawa, H. Fujisawa, and M. Shimizu
    • Journal Title

      Jpn. J. Appl. Phys.

      Volume: 58 Issue: SL Pages: SLLB02-SLLB02

    • DOI

      10.7567/1347-4065/ab3897

    • NAID

      210000156892

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      加藤 廉、中嶋 誠二、藤沢 浩訓
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      第31回日本MRS年次大会
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      中嶋 誠二
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      加藤 廉, 中嶋 誠二, 藤沢 浩訓
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      2021年第68回応用物理学春季学術講演会
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      S. Nakashima, Y. Fuchiwaki, T. Higuchi, Y. Yamamoto, R. Matsumoto, K. Kimura, N. Happo, K. Hayashi, M. Shimizu, and H. Fujisawa
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      S, Nakashima, Y. Fuchiwaki, T. Higuchi, Y. Yamamoto, R. Matsumoto, K. Kimura, N. Happo, K. Hayashi, M. Shimizu, and H. Fujisawa
    • Organizer
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      今井友哉, 吉村 奈緒, 藤沢 浩訓, 中嶋 誠二
    • Organizer
      平成31年度(2019)応用物理学会関西支部第1回講演会
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      右田 翼,小舟正文, 伊藤涼雅, 大林大貴, 菊池丈幸, 藤沢浩訓, 中嶋誠二
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      中嶋誠二、渕脇八雲、藤沢浩訓、樋口透 八方直久、山本裕太、松本亮平、木村耕治、林好一、保井晃、木下豊彦
    • Organizer
      東北大学 金属材料研究所 共同利用・共同研究ワークショップ「強誘電体関連物質の機能発現に関する構造科学の新展開」
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    • Invited

URL: 

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

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