2021 Fiscal Year Annual Research Report
次世代コンデンサ用誘電体ナノキューブ単層膜の高効率開発
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20H02446
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| Research Institution | National Institute of Advanced Industrial Science and Technology |
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Principal Investigator |
三村 憲一 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 材料・化学領域, 主任研究員 (20709555)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
板坂 浩樹 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 材料・化学領域, 研究員 (30816468)
安井 久一 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 材料・化学領域, 主任研究員 (30277842)
劉 崢 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 材料・化学領域, 上級主任研究員 (80333904)
高田 瑶子 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 材料・化学領域, 研究員 (00805640)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | チタン酸バリウム / ナノキューブ / 超薄膜コンデンサ / 規則配列集積 / グラフェン電極 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
チタン酸バリウムナノキューブ集積膜の特性発現メカニズム解明のため、計算科学による検証を行った結果、界面の歪みから誘起されるフレクソエレクトリック効果と、チタン酸バリウムの強誘電効果が併存することを考慮すると、誘電率の周波数依存性が矛盾なく説明できることを明らかにした。また、昨年度に可能となったグラフェンを用いたナノキューブ単層膜コンデンサ構造について、走査プローブ顕微鏡及び導電性カンチレバーを用いた評価システムの構築により、膜厚15 nmの誘電体層および、膜厚100 nmの上部電極からなるナノキューブ単層膜コンデンサ構造のダメージレスな電気特性評価を実現した。同システムを用いた評価から、直径約10μmのナノキューブ単層膜コンデンサ構造において、グラフェンシートをバリア層として用いることで、リーク電流が10の9乗分の1に低減され(電界強度～0.6 MV/cm)、加えてtanδが10%以下に抑えられることを確認し、この構造がコンデンサとして動作し得ることを実証した。さらに、集積プロセスを複数回繰り返すことにより、誘電体/電極/誘電体/電極・・・の積層構造を作製した。これにより、誘電体層厚が約15 nmの超薄層積層セラミックスコンデンサの可能性を実証した。ナノキューブ間の隙間を埋めるため、イオン液体を用いたTiの電析プロセスの最適化を進め、Pt基板上にTi金属の被膜が得られることを確認した。今後は、このプロセスと熱処理を組み合わせて、チタン酸バリウムナノキューブ単層集積膜のキューブ界面に酸化物絶縁層を形成し、単層膜誘電特性の評価により基礎物性を得たのちに、計算科学を用いて高誘電率化に向けたナノキューブ界面形成の指針を得る。
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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
走査プローブ顕微鏡及び導電性カンチレバーを用いた評価システムの構築により、膜厚15 nmの誘電体層および、膜厚100 nmの上部電極からなるナノキューブ単層膜コンデンサ構造に対して、ダメージレスな電気特性評価を実現した。また、高誘電率化の一つの手段として単層膜の積層化を実現を可能とした。チタン酸バリウムナノキューブの隙間を埋めるための電析プロセスの最適化に着手し、Tiの析出を確認することができた。今後は、実際に単層膜について析出実験を行い、隙間のみに析出させる条件の検討を進める。これらの超薄膜コンデンサの誘電特性の評価と高誘電率化の指針設計につなげる予定である。また、計算科学的な観点からは、フレクソエレクトリック効果という新たな現象に着目し、これまで未解明であった誘電特性の周波数依存性について特性発現の解明を進めた。
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| Strategy for Future Research Activity |
上記の直径約10μmのコンデンサ構造においては、面積が走査プローブ顕微鏡の導電性カンチレバー全体の面積よりも小さいため、誘電率評価の際にカンチレバーとサンプル間の浮遊容量の寄与が無視できなくなってしまうことが課題として抽出された。そこで、今後はコンデンサ構造を大面積化し、ナノキューブ単層膜の誘電率評価精度の改善に取り組む。その上で、熱処理や電析によるコンポジット化が誘電特性に与える影響を評価し、計算科学と組み合わせることで特性の発現機構の解明と更なる特性向上に向けた界面制御条件に関する指針を得る。
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