2021 Fiscal Year Research-status Report
Elucidation of Collective Electronic Phase Transition Induced at Device Interfaces Based on Correlated Oxides
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21K20498
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
志賀 大亮 東北大学, 多元物質科学研究所, 助教 (00909103)
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| Project Period (FY) |
2021-08-30 – 2023-03-31
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| Keywords | 強相関電子系 / 酸化物ナノ構造 / 放射光電子分光 / 薄膜・表面界面物性 / 酸化物エレクトロニクス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、局所的なキャリア濃度変調を施したVO2多層ヘテロ構造の接合界面に誘起される特異なモット転移に伴う電子構造変化を放射光電子分光により直接決定し、素子動作の物理的機構を解明することを目的とする。本質的な情報を得るために、全実験行程を超高真空下で実施可能な「その場放射光電子分光+レーザー分子線エピタキシ」複合装置を用いる。初年度はV4+→W6+化学置換により電子ドープを施したW:VO2/VO2(001)ヘテロ界面、及びその天地反転構造に誘起されるモット転移に伴う電子構造変化、及びその実空間プロファイルを調べた。軟X線電子分光による電子構造局所解析の結果、VO2/W:VO2ヘテロ構造のVO2層では、電子相転移が隣接するW:VO2のものとカップルし、中間電子相の発現を伴うことなく単斜晶系絶縁体-ルチル型金属相転移が誘起されることが明らかになった。この相転移温度近傍を詳細に調べた結果、極小温度窓において、(001)面内に広がる数百マイクロメートルスケールの電子相ドメインが観測された。これらの結果は、VO2/電子ドープVO2二層構造において“構造相境界”が観測結果として示される別のモデルとして、“面内に広がる電子相分離現象を平均情報（実験データの線型結合）として捕捉した可能性”を示唆するものである。
また並行して、Cr3+置換によりホールドープしたVO2ヘテロ構造を作製し、輸送特性評価に基づく電子相図（ホールドープ側）作成にも着手した。
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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
本研究計画の主軸は、化学ドープしたVO2薄膜ヘテロ構造の調製と、チャネル界面隣接領域における電子構造変化の放射光局所解析である。1)電子ドープW:VO2/VO2(001)ヘテロ界面、及びその天地反転構造に誘起される電子相転移現象に伴う電子構造変化について、その実空間分布を特定した。2)Cr3+置換によりホールドープしたVO2薄膜ヘテロ構造を作製し、輸送特性評価に基づく電子相図作成を行った。
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| Strategy for Future Research Activity |
1)W:VO2薄膜二層構造に発現する界面誘起電子相転移の‘弾性ひずみ依存性’を調べる。具体的には、TiO2(001)以外に(111)及び(110)単結晶基板を選択し、Vイオンの二量化軸を系統的に傾倒（面直→面内配向）させる。これにより電子蓄積時の素子動作における界面効果を検証する。2)Cr:VO2薄膜二層構造に発現が期待される集団的電子相転移の起源を調べることで、未だ報告例の少ないホール蓄積時の素子動作を検証する。以上の擬素子界面誘起電子相転移のスクリーニングに基づき、実際にトランジスタ構造を作製し、最適な素子動作を実証する。これにより、VO2素子構造の設計指針を構築する。
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| Causes of Carryover |
酸化物薄膜試料における比較的低温領域の電気輸送特性をその場で評価するための物性評価装置を作成するため、初年度はまず粗排気系の整備に取り掛かった。今後、液体窒素フローを冷却原理とする簡易的な冷却・加熱試料ステージを組み上げる予定である。
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[Journal Article] Surface proton conduction below 100 °C of Ce0.80Sm0.20O2-δ thin film with oxygen vacancies2022
Author(s)
G. Notake, D. Nishioka, H. Murasawa, M. Takayanagi, Y. Fukushima, H. Ito, T. Takada, D. Shiga, M. Kitamura, H. Kumigashira, and T. Higuchi
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Journal Title
Jpn. J. Appl. Phys.
Volume: 61
Pages: -
DOI
Peer Reviewed
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[Journal Article] Resonant tunneling driven metal-insulator transition in double quantum-well structures of strongly correlated oxide2021
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
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Journal Title
Nat. Commun.
Volume: 12
Pages: -
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Electronic structure of SrTi1-xVxO3 films studied by in situ photoemission spectroscopy: Screening for a transparent electrode material2021
Author(s)
T. Kanda, D. Shiga, R. Yukawa, N. Hasegawa, D. K. Nguyen, X. Cheng, R. Tokunaga, M. Kitamura, K. Horiba, K. Yoshimatsu, and H. Kumigashira
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Journal Title
Phys. Rev. B
Volume: 104
Pages: -
DOI
Peer Reviewed
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