2022 Fiscal Year Research-status Report
トポロジー制御したガラスの革新的薄膜合成方法の確立
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21K19016
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
小野 円佳 北海道大学, 電子科学研究所, 准教授 (20865224)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
JEEM MELBERT 北海道大学, 工学研究院, 特任助教 (00815805)
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| Project Period (FY) |
2021-07-09 – 2024-03-31
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| Keywords | トポロジー / ガラス / 薄膜 / 結晶基板 / 熱伝導率 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、結晶基板とのトポケミカルな相互作用を利用して、ランダムな原子構造をとるガラスの構造を制御しようというものである。
当該年度は、Si基板,Ge基板,LSAT基板,LiNbO3基板,LaAlO3基板を用いて、これらにSiO2をALD（原子堆積法）やプラズマアシストALD、CVD、熱酸化といった異なる種々の方法を用いて薄膜堆積した。そしてこれらの薄膜の ①熱伝導率 ②FSDPと呼ばれるガラスに特徴的な中長距離オーダーを示すXRDピーク、③ラマン分光、FTIR分光など、そのほかの方法で構造を観測できないかをそれぞれ調査した。
結果として、①や②の測定結果は同じSiO2であっても、基板や成膜手法によって大きく変化することがわかった。また、これらの変化は基板の共有結合性に大きく依存することも見えてきた。基板の影響が大きいものの場合は、膜厚依存性も大きく現れることも突き止めた。しかしながら、③のラマン分光やFTIR分光による観測ではアモルファス薄膜による信号が結晶に対して小さすぎるか、角度などにより観測結果が大きく変化し、評価が難しいとわかった。②に関しては、放射光施設の強いX線解析が必須であったことから、SPring-8に測定を申請し、6シフトのビームタイムが受理されて測定を行った。このようなアモルファス薄膜の低角度XRDパターンの測定自体に前例がほとんどなく、チャレンジングであり、条件の最適化も必要で困難な部分が多々あったが、測定が成功し、物性と、XRDパターンの相関が明確にみられることがわかってきた。
さらに、本研究費を用いて計算を主に行う米国の留学生を受け入れ、薄膜合成やその評価を行いながら、2次元ガラスの構造や特性のコンピュータシミュレーションによるモデル化を開始した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
研究実績で述べたように、当該年度は実験も順調に進み、もともと目標においていたアモルファス薄膜の種々の方法を用いた構造制御ができるとわかってきた。影響の有無を決める基板の特徴や、薄膜生成方法の特徴も明確になってきた。
これに加えて、SiO2のみならず、AlOや誘電体薄膜、その他のバルクガラスでは生じないアモルファス薄膜を合成できるのではないかと考え、実験をすでに進めている。これらのことから、本研究は、当初の計画以上に進展をしていると考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究の当初の計画は順調に進められているが、高エネルギー加速器を用いた測定が必須であることや、ビームラインが非常に混雑していることなどが影響し、決定的なデータを得ることに苦労している。また、当初の計画ではTEMを利用することでアモルファス構造が明瞭に観察できると考えていたが、思いのほか薄い膜を作ることや剥離転写するのが困難で、他の方法をとるべきであると考えるに至っている。このため、構造測定に関してはSPring8の申請を毎期行いつつ、（薄い膜の作成にチャレンジは続けるが）NMRなどのほかの構造決定方法を試行し、今後の展開につなげていきたいと考えている。
トポケミカルな効果で例えばAlO膜の機械的挙動についても試しに調べており、変化が見える可能性が示唆されていることから、評価対象の物性の幅を広げたい。
また、最終年度であることから、これまで得られた実験結果を論文にまとめるとともに、さらなる発展の方向性を材料、物性の両面において模索する。
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| Causes of Carryover |
次年度の計画で述べたように、これからSiO2以外の薄膜についても成膜や評価を行うことにしており、これらの薄膜合成は北海道大学が共同利用している装置を用いて行う。利用の際には共同利用費が必要で、本年度同様にこれが発生すると見込んでいる。薄膜合成において、ターゲット作成や基板の購入についても経費が必要となる。
また、SPring-8での測定にも測定費用が必要となるため、これについても見込んで計画している。
これに加え、次年度はこれまでの結果を論文化し、学会発表などでもアピールしていくことを計画している。学会発表は海外での発表を計画しており、費用が必要である。
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[Presentation] Exploration of the controllability of the atomic structure of thin film SiO2 using crystal surfaces2022
Author(s)
Katelyn A. Kirchner, Melbert Jeem, Sohei Ogasawara, Hiromichi Ohta, Akihiro Suzuki, Tsukasa Katayama, Shinji Kohara, Tomoyuki Koganezawa, Rosantha Kumara, Masaya Fujioka, Junji Nishi, Yasutaka Matsuo, Madoka Ono
Organizer
The 23rd RIES-HOKUDAI International Symposium
Int'l Joint Research
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