Multidisciplinary analysis of oxide devices and interfaces using the international network of next generation synchrotron-radiation facilities

2021 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 20KK0117
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 組頭 広志 東北大学, 多元物質科学研究所, 教授 (00345092)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 相馬 清吾 東北大学, スピントロニクス学術連携研究教育センター, 准教授 (20431489) ; 北村 未歩 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 物質構造科学研究所, 助教 (00783581)
• Project Period (FY): 2020-10-27 – 2026-03-31
• Keywords: 放射光 / 量子ビーム / 角度分解光電子分光 / 軟X線分光 / 酸化物エレクトロニクス / 強相関電子系 / 酸化物ヘテロ構造 / 機能性ナノ構造

Outline of Annual Research Achievements

国際共同研究の目的は、海外の次世代高輝度放射光施設の先端解析技術と日本側の酸化物デバイス作製技術とを組み合わせ、酸化物デバイス・ナノ構造研究を国際共同研究の下に加速させることである。具体的には、国内の放射光施設では観測することの難しい、酸化物デバイス界面数nmの領域で発現する特異な量子（電荷・スピン・軌道）状態をそれぞれの自由度に分けて可視化し、その知見に基づいた機能設計を行う。これにより、現状のボトルネックを解消し、明確な設計指針の元に酸化物デバイス開発を進める。さらに、本研究を通した欧州の放射光施設での研究交流を通じて、次世代光源である東北放射光への最先端放射光解析技術の導入を図る。
本年度は、新型コロナ禍による渡航制限のため、研究実施が見通せない状況が続いた。また、この状況は長期化する恐れがあり、さらにはロシア-ウクライナ戦争の拡大に伴う渡航制限の可能性も浮上してきた。そのため、本年度も新型コロナ禍の長期化を見据えて、テレワークを主体として、それぞれの機関・放射光施設で実験を遂行するためのネットワークを構築することに注力した。加えて、放射光測定の自動化にも取り組んだ。
本来ならば、2021年3月に2-3週間間、パリ南大（SOLEIL放射光施設）で新しく稼働し始めたナノARPES装置を用いた共同実験を行うべく準備を整えていたが、新型コロナウイルス感染拡大の影響で断念した。その一方で、オンラインを積極的に用いて、パリ南大学のグループと今後の研究方針に関する打ち合わせを行うことができた。また、オンラインで密に議論することで、これまでの共同研究で得られていたデータを再解析し、国際共同論文を執筆し、Nat. Commun.とSci. Adv.に出版するに至った。

Current Status of Research Progress

4: Progress in research has been delayed.

Reason

新型コロナウイルス感染症による渡航制限、および共同研究先の研究活動制限により、実質的な国際共同研究が出来ていない。パリ南大学およびブルツブルグ大学の研究者とはオンラインツールで打ち合わせを行っているが、実際の国際共同実験は状況が落ち着いてきてからの対応とならざるを得ない。特に、実地での作業は難しいため、スピン・軌道分解ARPES測定技術の開発、ナノARPES装置でのオペラント測定化のための電圧印加機構の設計・開発、およびオペラント測定用試料ホルダーへの酸化物デバイス構造の組み込みなどは、依然打ち合わせの段階である。欧州における国際共同実験については、共同実験が可能になった時点で出来るだけ速やかに実施することが、現在取りうる最善の方法と考えている。

Strategy for Future Research Activity

2021年4月時点で、新型コロナウイルス感染症による国際共同研究活動への影響は極めて大きく、どの時点で欧州に渡航（もしくは若手研究者を派遣）し共同実験を行うことが可能となるか見通せない状況が続いている。さらにはロシア-ウクライナ戦争の拡大に伴う渡航制限の可能性も浮上してきている。従って、欧州の次世代放射光を用いた酸化物デバイス研究については今後の予定を立てることが難しくなっている。そのため、オンラインで可能な限りの共同研究を進めつつ、渡航制限が解除され次第、国内外の感染状況に留意しながら、各研究拠点・放射光施設に滞在して実際の実験を遂行する。もし、長期化する場合は、高エネルギー加速器研究機構放射光施設Photon Factory（PF）において整備を進めている上記のシステムを用いて、欧州側から試料搬送システムにより送付された試料の遠隔測定を行う。まだ、同時に同様のシステムを海外側にも整備してもらうことで、将来的なデジタルトランスフォーメーションを視野に入れた国際共同研究体制の構築を行う。

Causes of Carryover

本年度も、新型コロナ禍による渡航制限のため、研究実施が見通せない状況が続いた。新型コロナウイルス感染症による国際共同研究活動への影響は極めて大きく、どの時点で欧州に渡航（もしくは若手研究者を派遣）し共同実験を行うことが可能となるか見通せない状況が続いている。従って、欧州の次世代放射光を用いた酸化物デバイス研究については今後の予定を立てることが難しくなっている。
本事業の目的は、海外の次世代高輝度放射光施設の先端解析技術を用いて、国内の放射光施設では観測することの難しい、酸化物デバイス界面数nmの領域で発現する特異な量子（電荷・スピン・軌道）状態をそれぞれの自由度に分けて可視化し、その知見に基づいた機能設計を行うことにあるので、欧州における国際共同実験が可能になった時点で出来るだけ速やかに実施することが、現在取りうる最善の方法と考えている。
そのため、本年度の研究経費の大部分を繰り越して、新型コロナ感染症が収束次第、国際共同研究体制の下、酸化物デバイス・ナノ構造研究を国際共同研究の下に加速させる予定である。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Paris-Saclay University/Synchrotron SOLEIL(フランス)
  • Country Name: FRANCE
  • Counterpart Institution: Paris-Saclay University/Synchrotron SOLEIL
• [Journal Article] Rocksalt-type PrO epitaxial thin film as a weak ferromagnetic Kondo lattice (2022)
  • Author(s): Hirokazu Shimizu, Daichi Oka, Kenichi Kaminaga, Daichi Saito, Taku Yamamoto, Nobuto Abe, Noriaki Kimura, Daisuke Shiga, Hiroshi Kumigashira, and Tomoteru Fukumura
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 105 Pages: 01442[1-6]
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.105.014442
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Room-Temperature Preparation of Ta Ions-Containing Ionic Liquid and its Vapor Deposition toward Ta-Oxide Film Coating (2022)
  • Author(s): Nana Hozuki, Kenichi Kaminaga, Shingo Maruyama, Daisuke Shiga, Hiroshi Kumigashira, Hidetaka Takato, Michio Kondo, and Yuji Matsumoto
  • Journal Title: Journal of The Electrochemical Society Volume: 169 Pages: 013504[1-8]
  • DOI: 10.1149/1945-7111/ac48c5
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Synthesis of High-Entropy Layered Oxide Epitaxial Thin Films: LiCr1/6Mn1/6Fe1/6Co1/6Ni1/6Cu1/6O2 (2022)
  • Author(s): Kaidong Wang, Kazunori Nishio, Koji Horiba, Miho Kitamura, Kurei Edamura, Daisuke Imazeki, Ryo Nakayama, Ryota Shimizu, Hiroshi Kumigashira, and Taro Hitosugi
  • Journal Title: Crystal Growth & Design Volume: 22 Pages: 1116～1122
  • DOI: 10.1021/acs.cgd.1c01076
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Two-dimensional superconductivity in single band correlated 2H-type NbO2 layers (2022)
  • Author(s): Takuto Soma, Kohei Yoshimatsu, Koji Horiba, Hiroshi Kumigashira, and Akira Ohtomo
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 105 Pages: 104504[1-7]
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.105.104504
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Crystal structure and electronic property modification of Ca2RuO4 thin films via fluorine doping (2022)
  • Author(s): Shota Fukuma, Akira Chikamatsu, Tsukasa Katayama, Takahiro Maruyama, Keiichi Yanagisawa, Koji Kimoto, Miho Kitamura, Koji Horiba, Hiroshi Kumigashira, Yasushi Hirose, and Tetsuya Hasegawa
  • Journal Title: Physical Review Materials Volume: 6 Pages: 035002[1-5]
  • DOI: 10.1103/PhysRevMaterials.6.035002
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Development of a versatile micro-focused ARPES system with Kirkpatrick-Baez mirror optics (2022)
  • Author(s): Miho Kitamura, Seigo Souma, Asuka Honma, Daisuke Wakabayashi, Hirokazu Tanaka, Akio Toyoshima, Kenta Amemiya, Tappei Kawakami, Katsuaki Sugawara, Kosuke Nakayama, Kohei Yoshimatsu6, Hiroshi Kumigashira, Takafumi Sato, and Koji Horiba
  • Journal Title: Review of Scientific Instruments Volume: 93 Pages: 033906[1-8]
  • DOI: 10.1063/5.0074393
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Resonant tunneling driven metal-insulator transition in double quantum-well structures of strongly correlated oxide (2021)
  • Author(s): R. Yukawa, M. Kobayashi, T. Kanda, D. Shiga, K. Yoshimatsu, S. Ishibashi, M. Minohara, M. Kitamura, K. Horiba, A. F. Santander-Syro, and H. Kumigashira
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 12 Pages: 7070[1-7]
  • DOI: 10.1038/s41467-021-27327-z
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Electronic structure of SrTi1-xVxO3 films studied by in situ photoemission spectroscopy: Screening for a transparent electrode material (2021)
  • Author(s): Tatsuhiko Kanda, Daisuke Shiga, Ryu Yukawa, Naoto Hasegawa, Duy Khanh Nguyen, Xianglin Cheng, Ryosuke Tokunaga, Miho Kitamura, Koji Horiba, Kohei Yoshimatsu, and Hiroshi Kumigashira
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 104 Pages: 115121[1-11]
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.104.115121
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Imaging the itinerant-to-localized transmutation of electrons across the metal-to-insulator transition in V2O3 (2021)
  • Author(s): Maximilian Thees, Min-Han Lee, Rosa Luca Bouwmeester, Pedro H. Rezende-Goncalves, Emma David, Alexandre Zimmers, Franck Fortuna, Emmanouil Frantzeskakis, Nicolas Vargas, Yoav Kalcheim, Patrick Le Fevre, Koji Horiba, Hiroshi Kumigashira et al.
  • Journal Title: Science Advances Volume: 7 Pages: 1164[1-7]
  • DOI: 10.1126/sciadv.abj1164
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Large phonon drag boosts thermopower by massive electrons in strained ultra-thin LaNiO3 film (2021)
  • Author(s): Masatoshi Kimura, Takayoshi Katase, Terumasa Tadano, Jan M. Tomczak, Makoto Minohara, Ryotaro Aso, Hideto Yoshida, Keisuke Ide, Shigenori Ueda, Hidenori Hiramatsu, Hiroshi Kumigashira, Hideo Hosono, and Toshio Kamiya
  • Journal Title: Nano Letters Volume: 21 Pages: 9240～9246
  • DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c03143
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Local polarization and valence distribution in LaNiO3/LaMnO3 heterostructures (2021)
  • Author(s): Masato Anada, Satoshi Sakaguchi, Kazuki Nagai, Miho Kitamura, Koji Horiba, Hiroshi Kumigashira, and Yusuke Wakabayashi
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 104 Pages: 085111[1-9]
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.104.085111
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Epitaxial-strain-induced spontaneous magnetization in polar Mn2Mo3O8 (2021)
  • Author(s): Shishin Mo, Tsukasa Katayama Akira Chikamatsu, Miho Kitamura, Koji Horiba, Hiroshi Kumigashira, and Tetsuya Hasegawa
  • Journal Title: Chemistry of Materials Volume: 33 Pages: 7713～7718
  • DOI: 10.1021/acs.chemmater.1c01877
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Bipolar Semiconducting Properties in α-SnWO4 Based on the Characteristic Defect Structure (2021)
  • Author(s): Makoto Minohara, Yuka Dobashi, Naoto Kikuchi, Akane Samizo, Kouhei Tsukuda, Keishi Nishio, Ko Mibu, Hiroshi Kumigashira, Izumi Hase, Yoshiyuki Yoshida, and Yoshihiro Aiura
  • Journal Title: Inorganic Chemistry Volume: 60 Pages: 8035～8041
  • DOI: 10.1021/acs.inorgchem.1c00530
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Total Reflection Hard X-ray Photoelectron Spectroscopy: Applications to Strongly Correlated Electron Systems (2021)
  • Author(s): T. Mizutani, S. Tanaka, T. Saze, K. Fujii, H. Matsuoka, M. Nakano, H. Wadati, M. Kitamura, K. Horiba, Y. Iwasa, H. Kumigashira, M. Yoshiki, and M. Taguchi
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 103 Pages: 205113[1-5]
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.103.205113
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Electronic structure of 3°-twisted bilayer graphene on 4H-SiC(0001) (2021)
  • Author(s): Takushi Iimori, Anton Visikovskiy, Hitoshi Imamura, Toshio Miyamachi, Miho Kitamura, Koji Horiba, Hiroshi Kumigashira, Kazuhiko Mase, Kan Nakatsuji, Satoru Tanaka, and Fumio Komori
  • Journal Title: Physical Review Materials Volume: 5 Pages: L051001[1-6]
  • DOI: 10.1103/PhysRevMaterials.5.L051001
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Large magnetoresistance of a compensated metal Cu2Sb correlated with its Fermi surface topology (2021)
  • Author(s): Mizuki Endo, Hideyuki Kawasoko, Seigo Soma, Kunihiko Yamauchi, Miho Kitamura, Koji Horiba, Hiroshi Kumigashira, Noriaki Kimura, Tamio Oguchi, Takafumi Sato, and Tomoteru Fukumura
  • Journal Title: Physical Review Materials Volume: 5 Pages: 105002[1-8]
  • DOI: 10.1103/PhysRevMaterials.5.105002
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Superconducting gap and pseudogap in the surface states of the iron-based superconductor PrFeAsO1－y studied by angle-resolved photoemission spectroscopy (2021)
  • Author(s): K. Hagiwara, M. Ishikado, M. Horio, K. Koshiishi, S. Nakata, S. Ideta, K. Tanaka, K. Horiba, K. Ono, H. Kumigashira, T. Yoshida, S. Ishida, H. Eisaki, S. Shamoto, and A. Fujimori
  • Journal Title: Physical Review Research Volume: 3 Pages: 043151[1-5]
  • DOI: 10.1103/PhysRevResearch.3.043151
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Dirac semimetal phase and switching of band inversion in XMg2Bi2 (X = Ba and Sr) (2021)
  • Author(s): Daichi Takane, Yuya Kubota, Kosuke Nakayama, Tappei Kawakami, Kunihiko Yamauchi, Seigo Souma, Takemi Kato, Katsuaki Sugawara, Shin-ichiro Ideta, Kiyohisa Tanaka, Miho Kitamura, Koji Horiba, Hiroshi Kumigashira, Tamio Oguchi, Takashi Takahashi, Kouji Segawa, and Takafumi Sato
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 11 Pages: 21937[1-9]
  • DOI: 10.1038/s41598-021-01333-z
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Direct synthesis of metastable λ-phase Ti3O5 films on LaAlO3 (110) substrates at high temperatures (2021)
  • Author(s): Kohei Yoshimatsu and Hiroshi Kumigashira
  • Journal Title: Crystal Growth & Design Volume: 22 Pages: 703～710
  • DOI: 10.1021/acs.cgd.1c01214
  • Peer Reviewed
• [Presentation] VO2極薄膜における電子・結晶構造の膜厚依存性: 協調的モット-バイエルス転移の抑制 (2022)
  • Author(s): 志賀 大亮、楊 以理、長谷川 直人、神田 龍彦、德永 凌 祐、吉松 公平、湯川 龍、北村 未歩、堀場 弘司、組頭 広志
  • Organizer: 第69回応用物理学会春季学術講演会
  • Invited
• [Presentation] 放射光電子分光によるSrTi1-x Vx O3量子井戸の量子化状態 (2022)
  • Author(s): 神田 龍彦、志賀 大亮、和田 亜里斗、長谷川 直人、北村 未歩、吉松 公平、組頭 広志
  • Organizer: 第69回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] LaAlO3 (110)基板上へのλ 型Ti3O5薄膜の直接合成 (2022)
  • Author(s): 吉松 公平、組頭 広志
  • Organizer: 第69回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Development of Resonant-Tunneling Mott Transistor Using Synchrotron-Radiation Spectroscopy (2022)
  • Author(s): Hiroshi KUMIGASHIRA
  • Organizer: Summit of Materials Science 2022 and GIMRT User Meeting 2022, Sendai International Center
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 放射光を用いた酸化物超構造の量子状態解析 (2021)
  • Author(s): 組頭広志
  • Organizer: 第82回応用物理学会 秋季学術講演会
  • Invited
• [Presentation] VO2/W:VO2 ヘテロ構造における電子相転移の直接観測 (2021)
  • Author(s): 志賀 大亮、神田 龍彦、長谷川 直人、北村 未歩、堀場 弘司、吉松 公平、組頭 広志
  • Organizer: 第82回応用物理学会 秋季学術講演会
• [Presentation] 4H-SiC(0001)基板を用いたTi2O3薄膜の合成 (2021)
  • Author(s): 宮崎 悟、吉松 公平、長谷川 直人、組頭 広志
  • Organizer: 第82回応用物理学会 秋季学術講演会
• [Presentation] 軟X線角度分解光電子分光によるTi2O3薄膜のバンド構造決定 (2021)
  • Author(s): 長谷川 直人、吉松 公平、志賀 大亮、神田 龍彦、宮崎 悟、北村 未歩、堀場 弘司、組頭 広志
  • Organizer: 第82回応用物理学会 秋季学術講演会
• [Presentation] Structure analysis of LaNiO3/LaMnO3 interfaces to elucidate local polarization (2021)
  • Author(s): Yusuke Wakabayashi, Masato Anada, Satoshi Sakaguchi, Kazuki Nagai, Miho Kitamura, Koji Horiba, Hiroshi Kumigashira
  • Organizer: MATERIALS RESEARCH MEETING 2021 PACIFICO YOKOHAMA
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Thickness Dependence of Electronic and Crystal Structures in VO2 Ultrathin Films (2021)
  • Author(s): Daisuke Shiga, Billy Eric Yang, Naoto Hasegawa, Tatsuhiko Kanda, Ryosuke Tokunaga, Kohei Yoshimatsu, Ryu Yukawa, Miho Kitamura, Koji Horiba, Hiroshi Kumigashira
  • Organizer: MATERIALS RESEARCH MEETING 2021 PACIFICO YOKOHAMA
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Charge Transfer Phenomena in Perovskite-Oxide Interfaces investigated by Resonant Photoemission Spectroscopy (2021)
  • Author(s): Miho Kitamura, Koji Horiba, Masaki Kobayashi, Makoto Minohara, Enju Sakai, Ryu Yukawa, Hiroshi Fujioka, Hiroshi Kumigashira
  • Organizer: MATERIALS RESEARCH MEETING 2021 PACIFICO YOKOHAMA
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Metallic conductivity in undoped Ti2O3 films (2021)
  • Author(s): Kohei Yoshimatsu, Naoto Hasegawa, Yusuke Nambu, Yuta Ishii, Yusuke Wakabayashi, Hiroshi Kumigashira
  • Organizer: MATERIALS RESEARCH MEETING 2021 PACIFICO YOKOHAMA
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Synchrotron radiation spectroscopic study on epitaxial Ti2O3 thin films (2021)
  • Author(s): Naoto Hasegawa, Kohei Yoshimatsu, Daisuke Shiga, Tatsuhiko Kanda, Ryosuke Tokunaga, Miho Kitamura, Koji Horiba, Hiroshi Kumigashira
  • Organizer: MATERIALS RESEARCH MEETING 2021 PACIFICO YOKOHAMA
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] "Electronic structure of transparent electrode SrTi1－xVxO3 films studied by in situ photoemission spectroscopy (2021)
  • Author(s): T. Kanda, D. Shiga, R. Yukawa, N. Hasegawa, D. K. Nguyen, X. Cheng, R. Tokunaga, M. Kitamura, K. Horiba, K. Yoshimatsu, H. Kumigashira
  • Organizer: MATERIALS RESEARCH MEETING 2021 PACIFICO YOKOHAMA
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] 東北大学多元物質科学研究所組頭研究室
  • URL: http://www2.tagen.tohoku.ac.jp/lab/kumigashira/html/index.html