2019 Fiscal Year Annual Research Report
Development of optical functions in transition-metal mixed-anion oxide thin films
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19H02594
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
近松 彰 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 助教 (40528048)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
和達 大樹 兵庫県立大学, 物質理学研究科, 教授 (00579972)
酒井 志朗 国立研究開発法人理化学研究所, 創発物性科学研究センター, 上級研究員 (80506733)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 複合アニオン / 薄膜新材料 / 光機能 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
遷移金属酸化物の多くは強相関電子系と呼ばれる物質群であり、光照射により電気伝導性、磁性、誘電性が変化する光誘起相転移が多く観測されている。光で物性を操作する光科学の研究は、電子(スピン)物性の理解、非平衡物質相の探索だけでなく、光による超高速スイッチングといった応用への展開も期待される。遷移金属酸化物の酸素サイトを別のアニオンに置換するアニオンドープにおいても豊かな物性が観測されており、遷移金属複合アニオン酸化物の更なる新しい光機能の発現は疑いない。本研究では、アニオンドープ酸化物エピタキシー法の新合成ルートを開拓し、遷移金属複合アニオン酸化物薄膜・ヘテロ構造の新しい光機能の創出を目指すとともに、複合アニオン酸化物薄膜の光機能発現機構を電子状態の観点から解明することを目的とする。
令和元年度は、①酸化物薄膜への塩素ドープ法の開発、②光誘起絶縁体－金属転移・光誘起磁化装置の立上げ、③複合アニオン酸化物薄膜の特異な光機能物性の探索、④電子分光および⑤理論計算による電子状態解明の観点から進めた。①では、塩素源にポリ塩化ビニリデンを用いることで、ビスマス酸バリウム薄膜を塩素化させることに成功した。②では、現在研究室で所有している電気抵抗測定装置、誘電率測定装置を改良し、光照射下における電気抵抗測定および誘電率測定を行えるようにした。③では、鉄酸フッ化物薄膜の光照射による誘電率変化の実験を行い、633 nmの光を照射した結果、高周波数側で鉄酸フッ化物薄膜のキャパシタンスが減少する様子を観測した。④および⑤では、Aサイトオーダーダブルペロブスカイト酸化物GdBaCo2O5.5薄膜に関して、1.5 eVレーザーを照射することによって、X線磁気円二色性信号の増加と共鳴X線磁気回折強度の減衰を明瞭に観察した。この現象のメカニズムを明らかにするために、現在理論計算を行っている。
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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
研究の目的に対して、順調に進行している。研究の詳細は以下の通りである。
①の酸化物薄膜への塩素ドープ法の開発では、酸塩化物薄膜のトポタクティック合成手法の開発に手掛けた。塩素源にポリ塩化ビニリデンを用いることで、ペロブスカイト型酸化物BaBiO3薄膜を塩素化させることに成功した。
②の光誘起絶縁体－金属転移・光誘起磁化装置の立上げでは、現在研究室で所有している電気抵抗測定装置、誘電率測定装置を改良し、光照射下における電気抵抗測定および誘電率測定を行えるようにした。
③の複合アニオン酸化物薄膜の特異な光機能物性の探索では、SrFeO2F薄膜の光照射による誘電率変化の実験を行った。633 nmの光を照射した結果、高周波数側でSrFeO2F薄膜のキャパシタンスが減少する様子を観測した。今後このキャパシタンス減少のメカニズムについて追求していく予定である。
④電子分光および⑤理論計算では、Aサイトオーダーダブルペロブスカイト酸化物GdBaCo2O5.5薄膜に関して、時間分解X線磁気円二色性（XMCD）と共鳴X線磁気回折（RXMD）測定を行い、光照射におけるスピンダイナミクスを調べた。1.5 eVレーザーを照射することによって、XMCD信号の増加とRXMD強度の減衰を明瞭に観察した。これは、GdBaCo2O5.5薄膜の光誘起反強磁性―強磁性遷移の様子を表している。この現象のメカニズムを明らかにするために、現在理論計算を行っている。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度は、①フッ素によるマンガン酸化物薄膜への電子ドープの達成、②新規ルテニウム酸フッ化物の合成と光照射実験、③複合アニオン酸化物薄膜の特異な光機能物性の探索、④電子分光および⑤理論計算による電子状態解明の観点から進める。
①に関して、昨年度我々は、マンガン酸化物薄膜へのフッ素ドープにより系に電子をドープできることを見出した。本年度はフッ素量や前駆体組成を考慮してマンガン酸化物への電子ドープ量をコントロールすることで、強磁性金属相や反強磁性絶縁体相などの新しい電子相を発現させる。
②は、固相エピタキシー法とトポタクティック合成法を組み合わせることで、新規ルテニウム酸フッ化物Ca2RuO4-xFy薄膜を合成する。さらに、合成した薄膜の結晶構造、電子物性を詳細に調べ、前駆体酸化物Ca2RuO4薄膜との違いを明らかにする。
③は、すでに作製に成功している様々な遷移金属酸水素化物・酸窒化物・酸フッ化物薄膜について、光誘起による絶縁体－金属転移、磁化の探索を行う。また、発現した光物性は、アニオン量や基板応力を変えることによって変化させる。
④は、電子分光実験により①や②で合成した薄膜を含む遷移金属複合アニオン酸化物の光誘起に伴う電子状態を解明する。元素の寄与を直接観測できる共鳴光電子分光や磁気特性も観測できるX線磁気円二色性測定だけでなく、光誘起による伝導性・磁性のピコ秒・フェムト秒スケールでの過渡的な状態を観測する時間分解型X線測定を行う。これらの測定により、光機能のメカニズムの解明と最適な複合アニオン酸化物の提案を行う。
⑤は、密度汎関数法に基づく第一原理計算と動的平均場理論の複合手法を用いて、アニオンの局所構造と物性の関連性を考察する。これにより計算された電子励起スペクトルを上述の分光実験の結果と比較することで、電子状態を明らかにする。
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