2020 Fiscal Year Annual Research Report
Thin-film stabilization of polar oxide semiconductors and the development of multi-level ferroelectric memory devices
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19H02423
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
藤原 宏平 東北大学, 金属材料研究所, 准教授 (50525855)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | パルスレーザー堆積法 / LiNbO3型酸化物 / イルメナイト型酸化物 / コランダム型酸化物 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
多彩な電子特性を示す機能性酸化物が次世代エレクトロニクスの担い手として嘱望されている。本研究では、LiNbO3型ZnSnO3およびMgSnO3を舞台に、構造由来の自発分極と電子有効質量の小さいSn 5s伝導帯の協奏による革新的メモリデバイスの創出に挑む。同時に、LiNbO3型酸化物とのヘテロ構造形成が可能、かつ、電気伝導性やスピントロニクス機能（磁性、スピン伝導）の発現が期待されるコランダム型およびイルメナイト型酸化物の開拓にも取り組む。プロジェクト二年目の本年度は、パルスレーザー堆積法を駆使して合成した二つの酸化物を対象に、以下に示す研究成果を得た。
１．コランダム型(Cr,Ru)2O3薄膜における導電性発現機構の解明
コランダム型(Cr,Ru)2O3薄膜は、積層キャパシタ構造を用いてLiNbO3型酸化物の強誘電性やマルチフェロイック特性を評価する上でボトム電極として活用できる。また、コランダム型酸化物としては珍しい金属伝導を示すことから、構造類似酸化物における金属伝導発現への手がかりを与えるものと期待される。放射光電子状態解析や熱電特性評価を専門とするグループとの共同研究を通して、Ru 4d軌道がフェルミ準位上の電子状態を担うこと、さらに、酸化物中では稀なRu3+状態が形成されていることを明らかにした。これらの成果について、論文発表および学会発表を行った。
２．イルメナイト型Mn酸化物超格子の構造評価
イルメナイト型MnTiO3ベースの超格子を用いて、特殊な磁気状態の発現が議論されているIrO6ハニカム格子を安定化することを試みた。本プロジェクトで導入したX線回折装置を用いることで、膜厚や積層周期を良く制御した超格子試料の作製に成功した。スピントロニクスの計測手法（スピンホール磁気抵抗効果）を用いて、極薄膜安定化したMn-Ir-Oの表面磁性を評価した。
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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
LiNbO3型ZnSnO3薄膜における分極反転の観測は達成できていないものの、その観測に役立つボトム電極材料(Cr,Ru)2O3の発見と伝導性発現機構の解明に成功した。また、イルメイト型酸化物超格子を用いることで、極薄膜新物質を安定化できることを見出した。本成果は、物性開拓があまり進んでいないイルメナイト型酸化物の研究に新たな物質設計指針を提示するものであり、今後の発展が期待できる。
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| Strategy for Future Research Activity |
継続して、薄膜合成と物性評価を相補的に進め、革新的酸化物デバイスの創出に資する材料開発に取り組む。導電性酸化物を用いたヘテロ構造の作製を進め、分極反転の検証と強誘電デバイスの開発に向けた技術を整備する。並行して、イルメナイト型酸化物新物質の開拓にも注力する。
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