2015 Fiscal Year Annual Research Report
強誘電体ドメインウォールにおけるチャージ効果の解明と界面機能開拓
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15H04145
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
中村 篤智 名古屋大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (20419675)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
栃木 栄太 東京大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (50709483)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | ドメインウォール / 強誘電体 / 双結晶 / 電気伝導 / 電子顕微鏡 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
【目的】強誘電体ドメインウォールにおいて，絶縁体であるにも関わらず，界面チャージにより電気伝導性が発現することが知られている．本研究では，界面チャージを制御したドメインウォールを作製する．手法として，双結晶法を利用する．作製した人工的ドメインウォールにおける界面チャージと物性の関係を明らかにし，界面チャージを利用した界面機能の開拓を狙う．
【ドメインウォールの作製】直接接合によって，強誘電体ドメインウォールの作製に成功している．接合界面は最新の電子顕微鏡により解析しており，その結果，分極方向についても原子スケールで確認することが可能となった．人工的に理想的なドメインウォールを作製できることを実証した．
【ドメインウォールにおける電気伝導特性のマクロ評価】作製条件を精査し，人工ドメインウォールにおける電気伝導性の再現性を確認した．界面チャージが電気伝導性に寄与していることが確認できた．
【原子間力顕微鏡（AFM）の導入と局所電気伝導評価法の確立】局所的な電気伝導特性評価のために，AFMを用いて導電率の局所的な変化を調査することを試みた．装置は本研究により新規に導入したものを利用している．本研究の結果，ナノスケールオーダーでドメインウォールにおいてのみ高い電気伝導性が発現していることを証明することができた．絶縁体である強誘電体表面の局所電気伝導特性評価に当たっても，AFMが有効であることを確認できたことは大きな成果である．
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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
【ドメインウォールの構造解析】
作製されたドメインウォールを球面収差補正付きの最新の電子顕微鏡により観察した結果，ドメインウォールが所定の分極構造を有することが確認できた．本研究ではLiNbO3を用いているが，この物質においては分極に伴う構造変化が小さいため，これまで分極方向の確認は困難と考えられていた．それに対して，本研究の結果，分極方向をABF-STEM像から解析可能であることが明らかとなった．そして，分極方向の直視が可能となったために，これまで作製してきた人工ドメインウォールが正確に所定の分極構造を有することが確認された．これにより人工的にドメインウォールを作製する手法が確立したと言える．
【原子間力顕微鏡によるドメインウォールの局所電気伝導評価】
強誘電体の中でもLiNbO3はバンドギャップが広いため本質的に絶縁性が高く，その電気伝導特性を評価するのは容易ではない．本研究の結果，界面チャージを有するドメインウォールにおいてナノスケールで局所においてのみ電気伝導性が発現することが確認された．Tail-tailタイプではより高い電気伝導性を，Head-Headタイプでは小さい電気伝導性を有することがAFMによっても確認できた．本結果は電気伝導が局所で起きる現象であることを証明できた点で，非常に価値が高いと考えられる．
以上のようなことから，本研究課題は概ね順調に進展していると言える．
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでの研究が概ね順調であるので，今後は以下の2点について検討したい．
【構造的にマイナスにチャージしたTail-Tailタイプドメインウォールの電気伝導キャリアの特定】
通常，マイナスにチャージしている界面においては電子をキャリアとしないと考えられている．一方，本研究の結果，還元処理を行った際に，Tail-tailドメインウォールに顕著に電気伝導性が発現していることが明らかとなっている．本研究結果は，従来とは異なり，マイナスにチャージすべき界面において電子が伝導していることを示唆している．この現象を確認するために，ゼーベック効果を測定することで，電気伝導のキャリアを特定する．
【外部荷重によるチャージの動的変化と電気伝導性の相関性評価】
強誘電体の圧電特性を利用して，外部荷重によりドメインウォールにチャージを誘起させ，その際の2次元的な電気伝導特性の変化を調査する．通常，圧電体では，外部荷重を与えると，正圧電効果により相対する表面に＋と－のチャージが発生する．本実験は，ドメインウォールの電気伝導性発現の要因が，構造に起因する界面チャージそのものにあるのか，もしくは界面チャージを補償するために導入される点欠陥にあるのか，を解明する上で極めて有効である．
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