2023 Fiscal Year Annual Research 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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2021-08-30 – 2024-03-31
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| Keywords | 強相関酸化物 / 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 |
本研究の目的は、モットトランジスタデバイスを模したVO2多層ヘテロ構造に誘起される特異なモット転移に伴う電子・結晶構造変化とその空間分布を放射光電子分光の特長を用いて選択的に決定し、得られた知見に基づきデバイス動作の物理的機構を解明することである。本質的な情報を得るため、「その場放射光電子分光+レーザー分子線エピタキシ」複合装置を用いて実験の全行程を超高真空下で実施した。
当該年度はその一環として、僅かにV4＋→Cr3+化学置換によりホールドープを施したCr:VO2に着目した。Cr:VO2は通常の絶縁体相とは異なるV-V二量化を示す。C:VO2(001)Rエピ膜の複雑な電子相図の起源を明らかし、二層構造の設計指針を得る目的で、その場放射光電子分光による電子状態観測を行った。具体的に、電子状態の変化を軟X線光電子分光により、二量体形成の変化をX線吸収分光により調べた。その結果、Cr:VO2においては、Cr3+置換により集団的V-V 二量化が抑制されていることが示唆された。それにもかかわらず、低温の絶縁体相においては、フェルミ準位上のエネルギーギャップは本質的に変化していないことが分かった。これらの結果から、Cr:VO2の電子相転移はV-V 二量化に支援されたモット転移であると結論づけた。一方、温度依存相転移を示さないCr:12at%では、フェルミ準位上にモットギャップが観測された。以上の結果から,Cr:=>12at%のC:VO2においては、モット不安定性がパイエルス不安定性に打ち勝つことでV-V 二量化を伴わないモット絶縁体相が安定化すると結論付けた。
この知見に基づき、各層が異なる電子相で構成されるVO2多層構造にCr:VO2層を組み込むことで、界面に生成される界面エネルギー、各層が内包する電子・結晶構造・スピン状態の自由度に由来するエントロピー、サイズ効果、の3点を最適化できると期待される。
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