新奇転移機構探索のためのシートキャリアイメージングの実現

• Project/Area Number: 23K17878
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 29:Applied condensed matter physics and related fields
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 湯川 龍 東北大学, 国際放射光イノベーション・スマート研究センター, 准教授 (40759479)
• Project Period (FY): 2023-06-30 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000); Fiscal Year 2024: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000); Fiscal Year 2023: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000)
• Keywords: 電子輸送 / 表面電子状態 / 薄膜 / ２次元 / イメージング

Outline of Research at the Start

量子効果が顕著に働く極薄膜材料では特異な低次元電子物性が多く発見されている。幅広い極薄膜材料に対して膜厚や組成比を変えることで新たな転移現象の発見と解明が期待できる。この考えに基づく転移機構の発見・解明のプロセス開発が課題の一つである。本研究では１つの薄膜の作製と評価に長時間を要するという問題を乗り越え、新たな転移機構を探索するため、極薄膜の広い領域においてシートキャリア特性を高い精度で決定するシートキャリアイメージングの実現を目的とする。具体的には、膜厚等に傾斜を持たせた極薄膜試料を超高真空下で搬送し、マイクロ多端子を用いて試料面内を微小領域に分割して電子輸送特性を評価する手法を開発する。

Outline of Annual Research Achievements

表面や極薄膜は新奇な低次元電子物性の宝庫である。その解明と新規材料の開発には最も基礎的な物性である電気伝導の測定が欠かせない。表面や極薄膜は異種分子の吸着で変質しやすいため、計測のためには作製した試料を超高真空下で搬送し、そのまま電気伝導を測定する機構が必要となる。しかしながら、こうした試料の表面処理や極薄膜の作製、そして超高真空下の試料搬送や電気伝導測定を行う一連のサイクルには非常に多くの時間がかかるという問題がある。
試料作製から評価までの一連の試料探索時間を短くし新奇な材料を見つけるため、本研究では表面や極薄膜面内の電気伝導をマッピングするシートキャリアイメージングを実現することを目的としている。本研究では表面や極薄膜内の電気伝導を高精度で捉えることが可能なマイクロ多端子を用いる。数百ナノメートルオーダーで制御する面内駆動装置を超高真空下に組み込むことで、試料面内を数百領域程度まで分割し一度に電子輸送特性を評価する手法を開発する。こうしたシートキャリアイメージング手法と組成や膜厚に傾斜をもたせた表面・薄膜試料作製を用いることで、異なる試料作製条件における評価を高速で実施する。
初年度は電気伝導計測装置に組み込むためのxステージの選定・購入と制御プログラムの開発を実施した。特にステージは超高真空下・低温(~4K)という過酷な条件においても、数ミリメーターの領域で高精度で制御可能なステージを選定した。目視できない状態でもプローブ位置を確認可能な位置計測システムも導入した。本手法の実現のため、これまで多端子の試料表面アプローチ用に作製したプログラムを改良した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本研究では超高真空下、低温という過酷な条件でも数百ナノメートルオーダーで制御可能なxyステージの導入が必須である。超高真空にするためにはチャンバー加熱によるベイクにも耐える必要がある。さらに薄膜全体をマッピングするため数ミリメートルの広い領域で駆動する必要がある。かつ、輻射シールド内に隠されて、位置を目視できない状態でもプローブの座標を精度良く決定可能であるという条件が要求される。こうした要件を満たす駆動機構は非常に高価である。そこで本研究では制御装置を工夫することで最低限の装置購入で実現することにした。計測プログラムを改良することで十分に達成可能と判断し開発を進めている。同時に極薄膜試料作製用の装置の構築を進めている。
xy面内のプローブ位置を確認しながらのスムーズな制御と計測の実施には装置とプログラム上の課題が残るものの、今後十分に対応でき計画通りに遂行可能と考えられるため上記判断に至った。

Strategy for Future Research Activity

これまでに構築したx軸駆動に加えて、今後はy軸駆動のステージも導入する。xy面内のマッピング装置の構築と、自動計測プログラムが立ち上がった段階で極薄膜試料において測定を実施する。
試料面内で表面・極薄膜の高精度電気伝導をマッピングするためには、プローブ自身が試料に与える変質を極力抑制する必要がある。xy面内の各点で電気伝導を計測する際、z軸を動かすことでプローブの接触と脱離を繰り返す制御機構を導入することが望ましい。そのためプローブ電極の接触の確認やxyz座標の確認を行いながら自動でマッピングする計測プログラムを注意深く構築する。具体的には以下の内容を実施する。
1) y軸駆動の導入と制御プログラムの構築
2) xyzステージの自動制御による面内計測の実現
3) 膜厚に傾斜をもたせた試料を用いたシートキャリアイメージングの実証
シートキャリアイメージングの実証後は新奇材料探索を行う。