遷移金属酸化物薄膜による水素イオン誘起量子物性開拓と化学デバイス応用

• Project/Area Number: 23K26738
• Project/Area Number (Other): 23H02045 (2023)
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund (2024); Single-year Grants (2023)
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 36010:Inorganic compounds and inorganic materials chemistry-related
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 田中 秀和 大阪大学, 産業科学研究所, 教授 (80294130)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): Li Haobo 大阪大学, 産業科学研究所, 助教 (20938188)
• Project Period (FY): 2023-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Declined (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥18,850,000 (Direct Cost: ¥14,500,000、Indirect Cost: ¥4,350,000); Fiscal Year 2025: ¥5,720,000 (Direct Cost: ¥4,400,000、Indirect Cost: ¥1,320,000); Fiscal Year 2024: ¥6,110,000 (Direct Cost: ¥4,700,000、Indirect Cost: ¥1,410,000); Fiscal Year 2023: ¥7,020,000 (Direct Cost: ¥5,400,000、Indirect Cost: ¥1,620,000)
• Keywords: 水素イオン / 強相関電子相転移 / パルスレーザ蒸着法 / 抵抗変化デバイス / スイッチング速度 / 強相関酸化物 / エピタキシャル薄膜

Outline of Research at the Start

水素イオンドープにより超巨大な抵抗変化を伴う「強相関電子相転移」を示す遷移金属酸化物を対象として高度に構造制したエピタキシャル薄膜の創製と第1原理密度汎関数シミュレーションにより、水素イオン応答/拡散を制御し、室温で、水素イオンに電子相転移物性が、高速かつ巨大に応答する新奇な化学応答無機酸化物薄膜結晶を創出する。この酸化物薄膜結晶を用いいて水素素イオンと強相関電子のカップリングを利用した、新原理に基づく化学/生体分子の高感度検出が可能な化学センシングデバイスを構築する。

Outline of Annual Research Achievements

水素イオンドープにより超巨大な抵抗変化を伴う「強相関電子相転移」を示す遷移金属酸化物を対象として、高度に構造制御したエピタキシャル薄膜の創製と第一原理密度汎関数シミュレーションにより、水素イオン応答/拡散を制御し、室温で、水素イオンに電子相転移物性が、高速かつ巨大に応答する新奇な化学応答無機酸化物薄膜結晶を創出する。パルスレーザ蒸着法を用いてNdNiO3を格子定数の異なる基板にエピタキシャル成長させると、引張り歪みが導入される基板上（LaAlO3）では、圧縮歪みが導入される基板(KTaO3)に比して、プロトンの拡散が拡散距離にして6倍程度、抵抗変調率にして実に10^4倍の向上がもたらされることを見出した。密度汎関数法に基づく水素拡散経路シミュレーションでは、水素は酸素から酸素へと跳び移る過程の障壁エネルギーが、特に圧縮/引っ張り歪みによって、大きく変調されることがわかった。さらに一度水素をドーピングした後、大気雰囲気とりだし、室温において電界抵抗変調（±8V）を行うと、LaAlO3基板上に作成したデバイスは、KTaO3基板上に作成したものに比して約30倍の大きな変調率を示した。さらに、導電性Nb-SrTiO3 (001)基板上にEuNiO3薄膜を蒸着し、リソグラフィ技術加工と水素化を施し縦型デバイスを作成した。反時計回りのバイポーラ型不揮発性スイッチングを示し、電圧パルス印加測定によりスイッチング速度評価を行った所、パルス幅が100 nsの時においても約2桁の抵抗変調を示した。このスイッチング速度は同デバイス構造を持つ酸素欠損移動型ReNiO3 デバイスと比較して3桁ほど速い。この高速化の要因として、ReNiO3 中の水素イオンは酸素欠損 と比べて活性化エネルギーが約0.4 eVほど小さく、外部電場に対して敏感だったからだと考えられる。

Research Progress Status

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Epitaxial growth of EuNiO3 on SrTiO3 and its application to stacked protonation resistance switching devices (2023)
  • Author(s): Taniguchi Yuki、Li Hao-Bo、Shimoyama Kohei、Hattori Azusa N.、Tanaka Hidekazu
  • Journal Title: Applied Physics Letters Volume: 122 Issue: 26 Pages: 263502-263502
  • DOI: 10.1063/5.0152640
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Controlling hydrogen induced phase transition on strongly correlated oxides and their application (2023)
  • Author(s): Hidekazu Tanaka
  • Organizer: 第4回機能材料科学ワークショップ/The 4th Workshop on Functional Materials Science
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 水素イオンを用いた強相関電子系酸化物薄膜の機能制御とエレクトロニクス展開 (2023)
  • Author(s): 田中 秀和
  • Organizer: 第85回 固体イオニクス研究会
  • Invited
• [Presentation] SmNiO3界面とナノ構造制御によるプロトン駆動型抵抗スイッチ機能の高効率化 (2023)
  • Author(s): 梅崎 景都、萱尾 清人、藤 大雪、大勝 賢樹、山口 航、新田 亮介、真島 豊、李 好博、服部 梓、田中 秀和
  • Organizer: 2023年 第85回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] Proton diffusion governed resistance switching in low-cost planar HxSmNiO3 designed device (2023)
  • Author(s): Keito Umesaki, 〇Haobo Li, Azusa.N Hattori, Hidekazu Tanaka
  • Organizer: 2024年第71回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 水素化強相関ニッケル酸化物を用いた電気伝導制御と抵抗変化デバイス適用 (2023)
  • Author(s): 李 好博、田中 秀和
  • Organizer: 2023年 第85回応用物理学会秋季学術講演会
  • Invited