一次元酸化物ヘテロ構造の新規物性開拓

• Project Area: Nano Materials Science for Atomic Scale Modification
• Project/Area Number: 22015004
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Priority Areas
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 一杉 太郎 東北大学, 原子分子材料科学高等研究機構, 准教授 (90372416)
• Project Period (FY): 2010 – 2011
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2011)
• Budget Amount: ¥2,400,000 (Direct Cost: ¥2,400,000); Fiscal Year 2011: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000); Fiscal Year 2010: ¥1,600,000 (Direct Cost: ¥1,600,000)
• Keywords: 酸化物 / 表面 / 薄膜 / 走査型トンネル顕微鏡 / 走査プローブ顕微鏡 / フェルミ準位 / エピタキシャル成長 / 結晶成長 / 走査トンネル顕微鏡

Research Abstract

ペロブスカイト系遷移金属酸化物のナノ構造を作製するためには、高品質エピタキシャル成長技術が不可欠である。本研究では、表面原子が秩序を有して配列しているSrTiO3(001)-(√13×√13)再構成表面が、ナノ構造成長用基板として適していることを明らかにし、その上にSrTiO3、およびLaAlO3の成長を行った。
ナノ構造を作製する際には、数百度-千度程度に基板を加熱し、酸素を最大で10^<-2>Torrまでチャンバー中に導入する。このような条件下でも上記再構成基板は安定であり、実際にSrTiO3ホモエピタキシャル極薄膜を作製し、界面付近における薄膜の初期成長過程について、原子スケール観察を行った。
その結果、単結晶基板および薄膜第1層のいずれの表面においても明瞭な(√13×√13)構造の観察に成功した。この構造の最表面層がTiリッチになっていることを考慮すると、界面においてコヒーレントエピタキシーが実現していることが示唆される。このような基板を用いることにより、酸化物薄膜の成長初期状態が原子レベルで明らかになり、高品質薄膜作製につながると考えられる。
そこで、次に、LaAlO_3をヘテロエピタキシャル成長させ、ナノ構造を作製することを試みた。5nm程度のアイランドを形成し、電子状態を原子レベル分解能でマッピングしたところ、界面に蓄積した電荷の影響を観察することに成功した。基板との界面における特徴的な物性は、近年、非常に注目を浴びており、原子レベルの空間分解能で探ることができたのは大きな進歩である。

Research Products

• [Journal Article] Atomic-scale visualization of initial growth of homoepitaxial SrTiO_3 thin film on an atomically ordered substrate (2011)
  • Author(s): Ryota Shimizu
  • Journal Title: ACS Nano Volume: 5 Pages: 7967-7671
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Systematic analyses of vibration noise of a vibration isolation system for high-resolution scanning tunneling microscopes (2011)
  • Author(s): Katsuya Iwaya
  • Journal Title: Rev.Sci.Instrum. Volume: 82 Pages: 83702-83702
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Stripe charge ordering in SrO-terminated SrTiO3(001) surfaces (2011)
  • Author(s): Katsuya Iwaya, Ryota Shimizu, Takeo Ohsawa, Tomihiro Hashizume, Taro Hitosugi
  • Journal Title: Phys.Rev.B Volume: 83
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Atomically Resolved Surface Structure of SrTiO_3(001) Thin Films Grown in Step-Flow Mode by Pulsed Laser Deposition" (2010)
  • Author(s): Katsuya Iwaya, Takeo Ohsawa, Ryota Shimizu, Tomihiro Hashizume, Taro Hitosugi
  • Journal Title: Appl.Phys.Express 3, 075701 Volume: 3
  • NAID: 10026495596
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Thickness-dependent local surface electronic structures of homoepitaxial SrTiO3 thin films (2010)
  • Author(s): Takeo Ohsawa, Katsuya Iwaya, Ryota Shimizu, Tomihiro Hashizume, Taro Hitosugi
  • Journal Title: J.Appl.Phys. Volume: 108
  • Peer Reviewed
• [Presentation] SrTiO3(001)表面再構成に及ぼす酸素欠損の寄与 (2012)
  • Author(s): 清水亮太
  • Organizer: 第59回応用物理学関係連合講演会
  • Place of Presentation: 早稲田大学(東京)
• [Presentation] SrTiO3(001)-(√13×√13)基板表面のSTM/XPS (2012)
  • Author(s): 大澤健男
  • Organizer: 第59回応用物理学関係連合講演会
  • Place of Presentation: 早稲田大学(東京)
• [Presentation] STM/STSによるTiO2終端SrTiO3(001)表面の局所電子状態の観察 (2011)
  • Author(s): 岩谷克也
  • Organizer: 日本物理学会2011年秋季大会
  • Place of Presentation: 富山大学(富山市)
• [Presentation] SrTiO3(001)-(√13x√13)エピタキシャル基板表面の構造解析 (2011)
  • Author(s): 清水亮太
  • Organizer: 第72回応用物理学関係連合講演会
  • Place of Presentation: 山形大学(山形市)
• [Presentation] SrO層堆積により誘起されるSrTiO3(001)基板表面の酸素欠損 (2011)
  • Author(s): 大澤健男
  • Organizer: 第72回応用物理学関係連合講演会
  • Place of Presentation: 山形大学(山形市)
• [Book] (分担執筆)表面新物質創製 (2012)
  • Author(s): 一杉太郎
  • Publisher: 共立出版
• [Book] 走査トンネル顕微鏡 (2011)
  • Author(s): 一杉太郎、橋詰富博
  • Publisher: 岩波書店
• [Remarks]
  • URL: http://www.wpi-aimr.tohoku.ac.jp/hitosugi_labo/home.html
• [Remarks]
  • URL: http://web.me.com/taro.hitosugi/