2016 Fiscal Year Research-status Report
還元性エピタキシーに基づく低価数Nb化合物の電子物性解明
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16K05737
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
岡 大地 東北大学, 理学研究科, 助教 (20756514)
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2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | ニオブ / 酸化物 / 酸窒化物 / エピタキシャル薄膜 / 電気伝導性 / 磁気抵抗 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では低価数Nb化合物の電気特性の解明を目標に、高品質エピタキシャル薄膜の合成と精密な物性評価に取り組んでいる。研究代表者はSrNbO3が極めて低い抵抗率とフェルミ液体的な金属挙動を示すことを観察し、これらの性質が空間的広がりの大きい4d軌道を占める伝導電子に由来することを見出した。この成果を起点として、さらなる化合物の合成と物性探索を推進している。
本年度は、一部計画の順序を入れ替え、Nb系酸窒化物の合成に取り組んだ。窒素プラズマ支援パルスレーザー堆積法を用いてペロブスカイト型SrNbO1－xNxエピタキシャル薄膜を合成した。ターゲットにはSr2Nb2O7を用い、基板温度630 °CでKTaO3単結晶(100)面上に結晶成長した。電子サイクロトロン共鳴（ECR）装置により活性化した窒素を雰囲気中に導入し、ECR投入電力を変化させるにより窒素含有量xが0から1までの範囲で制御された組成を持つ一連の(001)配向エピタキシャル薄膜を作成することに成功した。それぞれの薄膜について電気伝導性を調査した。上述の通り、エンドメンバーであるSrNbO3は金属的な低抵抗率を示した。窒素量xの増加に伴い、抵抗率は上昇するとともに半導体的な振る舞いへと変化していき、SrNbO2N（x = 1.02）では酸素欠損由来と考えられる電子キャリアの電導が可変領域ホッピングモデルで記述される絶縁体的挙動を示した。さらに、低温領域では正磁気抵抗効果が観察され、窒素含有量xの増加に伴い増大した。SrNbO2Nは2 K、9 Tにおいて50%の大きな値を示した。これらの結果は、窒素導入により電子キャリアが極度に局在化されていることを示唆している。このキャリア局在効果は酸窒化物の特徴であるOとNの長距離的ランダムネスを反映しているため、今後の酸窒化物を対象とする電気伝導研究における指標となると期待される。
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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
当初の計画から一部、順序を変更した進行となっている。
Nb酸窒化物エピタキシャル薄膜の合成を2年目に予定していたが、既に最適化を行ったペロブスカイト型酸化物SrNbO3の合成条件を基にして、SrNbO1－xNxの合成に着手することができた。活性窒素源である電子サイクロトロン共鳴装置への入力電流を変化させることで窒素含有量xを0から1の間で精密に制御した。窒素導入に伴い、電気伝導性が金属的挙動から半導体的挙動へと変化したことにくわえ、巨大磁気抵抗効果が発現することを発見するなど、電子物性評価についても予定より早く進行している。
一方、同じペロブスカイト構造で、SrをCaやBaで置換した酸化物試料の合成を予定していたが、条件最適化の途上である。SrNbO3と同様に、合成条件によってカチオン組成に正規組成からのずれが生じることが懸念されるので、精密に最適化を継続する必要がある。
また、層状構造を持つSr2NbO4エピタキシャル薄膜の合成を試みたが、エピタキシャル応力下においても単純ペロブスカイト構造が形成されてしまうことが分かり、層状構造の作成が困難であった。そこで、同じd1電子配置を持つSr2VO4の合成に着手した。V系ではNb系と異なり、比較的安定に層状構造が形成されることを見出し、c軸配向エピタキシャル薄膜の合成に成功した。得られたSr2VO4薄膜の磁化測定を行ったところ、スピングラス挙動を示した。既報のバルク試料とは異なる挙動であるため、基板からのエピタキシャル応力や組成ずれなどの影響を考慮して原因を調査している。
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| Strategy for Future Research Activity |
酸窒化物SrNbO1－xNxエピタキシャル薄膜については、巨大磁気抵抗効果をより詳細に分析し、その物理的・化学的起源を探る。具体的には、伝導電子が局在化した系に対して提唱されている種々の理論式により得られた磁気抵抗曲線を数値フィッティングして解析する。また、従来の局在理論においてはs軌道、p軌道といった対称性の高い軌道における電気伝導を対象としていたが、SrNbO1－xNxでは異方性の大きい4d軌道が伝導体を形成している。そこで、磁気抵抗の大きさが試料に印加する磁場の方向にどのように依存するかを測定し、シリコンなどの半導体材料との比較を行う。
また、酸化物ANbO3（A=Ca, Ba）エピタキシャル薄膜については、引き続き合成条件の最適化を行い、得られた試料の電気伝導度を測定する。SrNbO3の電気伝導挙動を基に提唱したd軌道のサイズ効果をより詳細に検討していく。
層状ペロブスカイトSr2VO4についてはエピタキシャル薄膜が得られることが分かったので、より試料品質を向上させるための条件最適化を継続する。Sr2VO4はバルク試料において軌道秩序状態が報告されている興味深い系であるため、薄膜試料についても物性調査を進める。既に得られた試料において観察されたバルク試料と異なる物性の起源を探るとともに、薄膜においても軌道秩序形成に由来する相転移挙動が見られるかどうかという点に注目する。また、VをNbで置換することにより、計画時の目的物質であったSr2NbO4に近い組成の薄膜合成を試みる。くわえて、層が積み重なる方向に薄膜が堆積されるc軸配向の利点を活かし、層数の制御とそれに伴う物性の変化を調査する。
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