鉄系超伝導体薄膜の作製方法開発と超伝導発現機構解明

2016 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 16K17739
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 田縁 俊光 東京大学, 物性研究所, 助教 (10771090)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2019-03-31
• Keywords: 原子層超伝導 / 鉄系超伝導体

Outline of Annual Research Achievements

本研究課題は機械的剥離を用いて原子層高温超伝導体の作製を実現することとその物理的特性評価を行うことを目的としている。初年度となる平成28年度は主に環境整備を優先して行った。具体的には試料劣化に対する対策と効率的なデバイス評価、そして高磁場中での評価のためのパルス磁場中輸送特性システムの構築の3つに縮約される。まずプロトタイプとして機械的剥離法によって複数の厚みのデバイスをシリコン基板上に作製し、輸送特性を評価した。その結果、それらにおいて試料劣化の影響が大きいことが確認された。この結果は薄膜化の効果が出る十分薄いデバイスが作製できることを示した一方、この劣化の対策が不可欠であることを意味している。したがって大気暴露せずにデバイス作製を可能とするグローブボックス環境が計画を前倒しして構築された。実際この環境において作製された表面劣化しやすい薄膜半導体の系で有効に機能することが確かめられている。次に本研究の特徴であるイオン液体を用いた評価を行う際、液体の取り扱いが煩雑であるためにデバイス評価が非効率となることが問題となった。そこで当初の研究計画にはなかった横型のクライオスタット導入を行い、イオン液体の取り扱いが簡便となるようにした。具体的には光学用のヘリウムフロー型クライオスタットを横倒しにして試料をサンプルステージに固定し、最後にイオン液体を滴下するだけにしたことで試料上に液体を保持することが容易になるようにシステムを構築した。最後に強磁場中での超伝導の次元性の評価を予定しているが、それに必要なパルスマグネットを作製し、さらにノイズ対策としての数値ロックインを取り入れた測定手法を確立し、ハード・ソフト両面からパルス磁場中輸送特性評価システムを構築した。これら3つの環境整備が完了したため、次年度から高品質なデバイス作製を行い、その輸送特性評価を無磁場下およびパルス磁場下で行う。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本研究課題において取り扱う原子層超伝導物質FeSeは大気中で比較的不安定であり、この問題を解決するための環境整備を行った。まず、実際に複数のFeSe薄膜試料をシリコン基板上に作製した結果、これらにおいてバルク試料では見られなかった半導体的温度依存性を示すことが明らかとなった。これは大気に触れた表面の寄与が大きくなるほど薄い試料が作製できたことを意味する。さて、試料品質劣化を解決するために用いるのが新規に導入したグローブボックスである。実際、このグローブボックス内で作製された薄膜半導体（黒リン）のデバイスは非常に高品質な輸送特性を示すことが実験的に確かめられた。FeSe薄膜試料においても品質向上が期待される。
次に試料評価を行う際の環境整備として、横型ヘリウムフロー型クライオスタットの導入を行った。本研究では薄膜化及びキャリア制御をイオン液体を用いて行うが、通常の縦型のクライオスタットでは試料交換時にイオン液体を保持することが困難で、実験が極めて非効率であることが分かった。そこで光学用の横型クライオスタットを導入し、この問題を解決した。具体的にはサンプルステージに試料を固定した後、最後にイオン液体を滴下することができるようになった。本クライオスタットを用いることで次年度からのデバイス評価が効率よく進むことが期待できる。
最後に当初の研究予定の順番を入れ替えて行ったのが、強磁場中での特性評価を行うために開発しているパルス磁場システムの改良である。新たに自身でコイルを巻き、約10 msのパルス幅で42 Tの磁場が発生できるシステムが完成したが、さらに輸送特性評価を行えるよう数値ロックインシステムを立ち上げた。これによって、ハード・ソフト両面から強磁場中測定が容易に行えるようになった。
一方、当初予定していたFeSe関連物質単結晶合成は優先順位を下げ、次年度以降に予定を繰り下げて行う。

Strategy for Future Research Activity

前年度に整備した環境を用いてデバイスの高品質化を目指す。具体的にはグローブボックス内で劈開、転写を行うことによって試料表面の劣化を局限する。さらにイオン液体によって表面の保護と膜厚制御およびキャリア制御をして測定を行うが、この際前年度整備した横型ヘリウムフロー型クライオスタットを用いることで効率的にデバイス評価を行う。具体的な評価内容としては、イオン液体を用いた膜厚制御及びキャリア制御を優先して行う。最近のイオン液体を用いた研究の発展として、静電的なキャリア制御を行うもの以外にアルカリ金属のインターカレーションを起こすことができるものも注目されており、キャリア制御の幅は広がっている。本研究でもこれを取り入れる予定である。その他の評価として、超伝導の次元性評価を行うために磁場中の輸送特性評価を行う。具体的には超伝導マグネット、あるいはより高磁場は前年度に整備したパルスマグネットを使って薄膜に対して面内から面垂直まで系統的に磁場を印加し、上部臨界磁場の評価を行う。
また、次年度予定していたFeSe/h-BN積層系の作製を前倒しして行う予定である。これは当初グローブボックス環境整備を3年目としていたが、それが初年度に繰り上げて完了しているため、前倒しが十分可能であるからである。一方、FeSe関連物質単結晶合成は3年目に行う予定に変更し、複合積層系の作製技術確立及びそのデバイス評価を優先する。

Causes of Carryover

ほとんど計画通りの執行を多なうことができた。しかしながら、物品の購入を当初の見積よりわずかながら低い予算で購入できたため、差額が生じた。

Expenditure Plan for Carryover Budget

次年度使用額が生じたが、その差は小さかったため次年度の計画は変更することなく執行する予定である。