2018 Fiscal Year Research-status Report
電場下の金属/固体界面における金属原子のイオン化と拡散の理論
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17K05488
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| Research Institution | Chiba University |
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Principal Investigator |
中山 隆史 千葉大学, 大学院理学研究院, 教授 (70189075)
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2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 金属／固体界面 / 電場環境下 / イオン化 / 侵入拡散 / 原子空孔 / ドーパント / ワイドギャップ半導体 / 有機固体 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、第一原理計算を用いて、電場下の様々な金属/固体界面における金属原子や点欠陥のイオン化メカニズムとイオン化後の固体中での拡散を解明し、固体界面における金属原子・点欠陥の「イオン化・拡散の物理」を構築することである。本年度は、固体基板の範疇を広げて金属/(SiC,GaN,SiO2)界面と金属/有機固体界面を対象に、以下の成果を得た。
１．金属/(SiC. GaN, SiO2)界面での点欠陥のイオン化侵入過程の解明：金属電極に正電圧を印加すると、アニオン原子空孔やドナー型ドーパントの形成エネルギー(イオン価数)は、電場強度の２次(１次)に比例して減少(増大)すること、アクセプター型のドーパントでは逆に形成エネルギーは増大すること、その原因はこれら点欠陥と金属電極間の電子移動にあること等を明らかにした。特に、前年度未解明であったSiO2基板においてSi, O原子と強く共有結合する金属原子種（Ta, V等）に対しては、イオン価数が第３近接原子まで広がっているため、定量的にはその広がりを考慮することが必要であることを示した。
２．金属/有機固体界面での金属原子のイオン化侵入過程の解明：σ電子系の絶縁性SAM基板では、金属原子とSAM分子間の相互作用が弱いため、金属原子はSAM基板内に容易に侵入拡散すること、電場でイオン化するとその侵入バリアは減少することを明らかにした。一方、π電子系の半導体性ペンタセン基板では、金属原子はその陰性度に依存してペンタセン分子に共有・イオン結合で強く吸着するため、自発的に基板内に侵入し、他の金属原子を押し出しながら拡散すること、電場下ではペンタセン分子の電子構造変化が電場のスクリーニングを起こしイオン化を抑制すること等を明らかにした。
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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
計画していた電場下での様々な無機半導体からなる金属／半導体界面における金属原子や点欠陥のイオン化・侵入の振舞とその機構の研究、金属／有機固体界面における金属原子のイオン化と侵入拡散過程の研究は概ね終了した。これら研究を通して、イオン化はほぼ２つのタイプに分類できることが明らかになり、次年度における「イオン化・拡散の理論」を構築する準備が整ったため。
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| Strategy for Future Research Activity |
次年度は、これまでの成果をまとめて、以下のように研究を発展させる。
１．金属/固体界面での点欠陥のイオン化と欠陥のクラスター化・トンネル電流特性の関係の検討：(1)格子間金属原子や原子空孔等の点欠陥が、イオン価数の変化と共に点欠陥のクラスターを形成・分解する仕組みを解明する。(2)拡散した金属イオンや点欠陥がつくるクラスターの電子状態と、電場下でのトンネル・リーク電流の関係を明らかにする。
２．固体界面での金属原子のイオン化とその拡散理論の構築：これまでの研究成果によると、金属界面近傍での点欠陥のイオン化はほぼ２タイプに分類される。これら成果を総合し、基礎的な物質定数を用いて現象の解析・予言が可能な、固体界面での点欠陥のイオン化および固体中でのイオン拡散の理論（モデル描像）を構築する。
以上の成果を、順次、論文および半導体系の国際会議・学会で発表する。
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| Causes of Carryover |
（理由）
平成30年度は、研究成果を順次、国際会議や学会、論文で公表してきたが、一部の論文は現在未だ投稿中である。これら論文が採択された場合に払う投稿料のための予算約4万円を、平成31年度にまわした。
（使用計画）
次年度の研究費は、主に平成31年度までに得られた研究成果を公表するため用いる。その内訳は、論文投稿料(約22万円)、国際会議や学会での発表のための国内外旅費(約30万円)、計算結果の解析を依頼するための謝金(約12万円)の予定である。
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