2020 Fiscal Year Research-status Report
Electronic Phase Control and Development of Functionalities in Oxide Thin Films with Flat-band Structure
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20K15168
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
藤田 貴啓 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 助教 (60839687)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 酸化物 / 薄膜 / エレクトロニクス / スピントロニクス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、フラットバンドと呼ばれるエネルギー分散のないバンド構造を持った遷移金属酸化物を高品質薄膜化し、その電子相を制御することによって、フラットバンド構造において発現が予想されている種々の量子物性の観測とその機能化を目指している。
本年度は遷移金属酸化物の中でも、フラットバンド構造を持つことが理論的に予言されている、パイロクロア型酸化物（A2B2O7）の高品質薄膜作製および、化学置換によるキャリアドープを用いた電子相制御を試みた。対象物質としては、Aサイトカチオンとしては2価のSn、Pbを、Bサイトカチオンとしては5価のNb、Taを選択した。
パルスレーザー堆積法を用い、成膜雰囲気や成長温度を制御することで、Y-ZrO2単結晶基板上に極めて高い結晶品質と原子層平坦性を持った単結晶薄膜の作製に成功した。成膜原料である酸化物焼結体ターゲットの段階におけるAサイトカチオンの価数がA2B2O7成長において決定的に重要であることを見出し、Aサイトが2価以外のターゲットからでは、A2B2O7を得ることができなかった。そうして最適化された成膜条件を用いることで、ホールドープを目的とした、Bサイトに4価のTi、Hfを化学置換した薄膜を高品質に作製することにも成功した。また特に、AサイトがPbのPb2Ta2O7、Pb2Nb2O7については、バルク結晶ではパイロクロア型を取らないことが報告されており、エピタキシャル薄膜によってはじめてパイロクロア相を得ることに成功した。
以上は、Y-ZrO2基板と対象物質の間の2％以上という比較的大きな格子不整合を考慮すると望外の結果であり、今後の機能化を目指す面でも、また結晶工学的な観点からも大変意義深い。
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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
研究実績の概要で述べた通り、当初の計画通りに対象物質であるパイロクロア型酸化物およびその化学置換した物質の高品質薄膜化に成功した。計画時には作製に困難が予想された新物質の薄膜作製にも成功するなど、物質作製という面では想定以上の進捗が得られている。
予期していなかった点として、作製した物質の物性測定の困難さが明らかになってきた。当初の計画では、化学置換によってホールドープを行うことで、対象物質の電気伝導性を向上させ、電気輸送特性を通じてフラットバンド構造由来の量子物性の観測を行うことを予定していた。しかしながら作製した薄膜は、ホールドープを行ったにもかかわらず、いずれも室温においてさえ測定できないほどに高い絶縁性を示しており、電気輸送特性測定を行うことが不可能となっている。試料の構造解析や化学組成分析を行うことで、ドーパントが想定通りの価数で薄膜中に存在していることは確かめられている。したがってこのような絶縁化の原因としては、ホールキャリアが薄膜中の酸素欠損によって補償され、実質的にはドープできていない可能性、あるいはホールキャリアが理論的には有効質量無限大であるフラットバンドにドープされ、電気伝導に寄与できていない可能性が考えられる。
一方で光学測定の結果では、直接遷移・間接遷移ともに3eV程度のエネルギーギャップが観測された。これらはバルク多結晶における先行研究の値とよく一致しており、作製した薄膜の高品質を改めて示している。
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| Strategy for Future Research Activity |
現状の最大の課題は、ホールドープした試料の絶縁性の起源の解明である。現在までの進捗状況に述べた通り、酸素欠損またはバンド構造という2種類の原因が考えられる。このうち酸素欠損については、薄膜試料ゆえに定量的な評価は困難である。しかしながら、成膜後に酸素やオゾン雰囲気化においてアニール処理を施すことで酸素欠損を低減できることが他の酸化物系において報告されており、これらが解決策となり得る。バンド構造については、研究代表者の所属グループでは直接観測に必要な光電子分光装置を所有しておらず、他研究グループとの共同研究を要する。この場合試料の表面を清浄に保ったままで試料を輸送する方法の確立が必要である。
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| Causes of Carryover |
当初の計画では、化学置換の手法としてA2B2O7のBサイト置換に加えてOサイトの窒素置換を予定しており、そのための窒素ラジカルソースの購入を予定していた。しかしながら現在までの進捗状況に述べた通り、Bサイトの化学置換によって電気伝導性の向上が見られなかったため、窒素置換の実験を延期しており、予算に余剰が生じた。
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