2012 Fiscal Year Annual Research Report
遷移金属酸化物ナノ構造体における超巨大物性発現とナノデバイス展開
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11J03950
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
高見 英史 大阪大学, 基礎工学研究科, 特別研究員(DC1)
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| Keywords | 二酸化バナジウム / 金属-絶縁体転移 / ナノ構造 / ドメイン / 強相関電子系 / 室温巨大スイッチング / エレクロトニクス / ナノインプリント |
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| Research Abstract |
私は、多彩な物性および外場に対する巨大応答を示す3d遷移金属酸化物のうち、二酸化バナジウム(VO_2)のナノ構造に関する研究を行っています。VO_2は341Kにおいて結晶構造変化を伴う急峻な金属一絶縁体転移を示す材料であり、Wドープにより相転移が室温で発現すると共に、ナノサイズの領域において金属相と絶縁相のドメインに分離することが報告された強相関電子系材料であります。私はWドープVO_2薄膜の単一ナノドメインの物性を抽出・制御し、従来の薄膜デバイス特性を遥かに凌駕した室温で動作する超高性能スイッチング素子への応用を考え、実現することを目的としています。特に当該年度は、前年度プロセス確立を行ったナノインプリント法という微細加工手法を用いてVO_2ワイヤーを作製し、以下のことを明らかにしました。1.VO_2の電子相配列が構造のサイズによって変化し、薄膜では2次元的に分布していた電子相が、1μm幅のワイヤーにおいては一次元的に配列する(Applied Physics Letters101(2012)263111)。2.200nm幅VO_2ナノ細線構造で階段状の金属・絶縁体転移が発現し、ランダムレジスタネットワーク計算結果と実験結果との比較から単一ドメインの大きさが50nmである。これまでVO_2の細線構造はボトムアップ手法である気相法によって作製されており、精密な構造と位置制御を必要とするエレクトロニクス応用が非常に困難と考えられていました。本研究では、この点をトップダウン手法であるナノインプリント法を用いることで解決し、VO_2電子相の次元性の制御に成功し、同時にそれらの電気特性を明らかにしました。さらにナノデバイス測定においては独自の改良を加えていくことによって、単一ドメイン由来の巨大相転移の観測に成功しました。このことにより、Si材料の微細加工による性能向上限界を迎えつつある半導体業界に対し、新しい機能性材料創出というイノベーションを起こすことができます。そして科学技術の進歩による豊かで安心・安全な社会の発展に大きく貢献します。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
当初の計画の柱である、VO_2の階段状金属・絶縁体転移の発現に成功し、ランダムレジスタネットワーク計算を用いたコンピューターシミュレーションとの比較により、単一ドメインの大きさが50nm程度であると見積もることに成功した。前年度まで行っていた光学顕微鏡観察では測定不可能なほど小さいドメインのサイズを見積もることに成功し、研究課題である室温巨大相転移実現に向けたデバイス設計指針が判明したという点で、非常に大きな進展である。
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| Strategy for Future Research Activity |
VO_2ナノ構造が持つ超巨大金属・絶縁体転移を室温で発現させるデバイスを作製する。当初はWをドープしたVO_2ナノワイヤーに対してトランジスタ構造を作製し、高On/Off比・高速動作を可能とする超高性能トランジスタの実現を目指していたが、さらなる高On10ff比の実現を目指し、VO_2単一ドメインを動的に制御し、完全金属状態と完全絶縁状態をスイッチングさせることを目指して研究を行う予定である。具体的にはTiO_2(001)基板上にVO2を堆積し、数十μmの巨大ドメインが発生するサンプルを作製する。それに対してフォトリソグフラフィーによって細線構造を作製し、金属ドメインと絶縁体ドメインが交互に配列するように加工する。それらのドメインに定電流を印加することによって、電流方向に動かし、読み取ることによって超高性能スイッチング素子へ応用させる。
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