2022 Fiscal Year Annual Research Report
Development of resonant-tunneling Mott transistor based on double quantum well structures of strongly correlated oxides.
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22H01948
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
組頭 広志 東北大学, 多元物質科学研究所, 教授 (00345092)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | 量子井戸構造 / 角度分解光電子分光 / 強相関電子系 / 酸化物薄膜 / 機能性ナノ構造 / バンド構造 / 放射光 / 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、二重量子井戸間の共鳴トンネル現象を利用した新原理のモットトランジスタを創製することにある。具体的には、量子準位間の共鳴トンネルを利用してモット転移層における金属・絶縁体転移（On/Off動作）を制御するという新たな動作原理を提案し、その実現を目指している。そのために、マイクロ集光した放射光を用いてデバイス動作時の量子化状態を可視化するオペラントμ角度分解光電子分光（μARPES）装置を開発し、原理検証とその知見に基づいた構造設計を行う。本年度は、オペラントμARPES装置の立ち上げを進めつつ、強相関波動関数エンジニアリングに基づいた新しい原理のモットトランジスタの設計に必要となる実験を行い、下記の成果を得た。
１）強相関電子の平均自由行程（λ）と量子化状態形成との関係を調べるために、組成xによってλを連続的に変化させることのできるSrTi1-xVO3を用いて量子井戸構造を作製し、ARPESによる量子化状態評価を行った。その結果、強相関量子化状態は、λの減少に伴って弱くなり、λがV-V間距離となるIoffe-Regel極限で消滅することが明らかになった。このことから、強相関量子井戸を設計する指針を確立した。
２）SrVO3量子井戸間に内部電圧を印加するために、極性酸化物であるLaAlO3をバリア層として用いた、SrVO3/LaAlO3/SrVO3二重量子井戸構造を作製し、上部量子井戸における量子化状態をARPESにより調べた。その結果、「内部電界印加によって共鳴トンネル確率が減少するため、絶縁体になる」という予想に反して、LaAlO3バリア層の厚さ（内部電界強度）にかかわらず金属状態が出現した。詳細な放射光解析により、この金属化は、SrVO3とLaAlO3間の極性不連続を解消するために、SrVO3 QWにホールがドープされた結果であると結論づけた。
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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
ウクライナ情勢のため、試料作製用Kr Fエキシマレーザーで用いているガスの入手困難で、令和４年度中の納入が不可能である事が判明したため、研究計画の変更を行い、試料作製用の固体レーザーを用いて研究を遂行することになった。その間、固体レーザーを用いて酸化物量子井戸構造を作製することで、研究を進めた。具体的には、研究室で所有していた固体レーザーを修理・改良することで高出力を得、KrFエキシマレーザと同等の試料が作製できるように試料合成条件を斎会摘果した。その結果、モットトランジスタ構造を設計するための電子論的パラメータ（１．量子井戸層のポテンシャル深さと量子化準位、2. 強相関電子のバリア層内におけるトンネルコヒーレンス長、３バリア層への最適な印加電圧）の決定については、ほぼ当初の予定通り進捗している。
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| Strategy for Future Research Activity |
縮小光学系を導入した「μARPES装置」は、ほぼ立ち上げが終了し、ほぼ設計値値通りのμスポットサイズでARPES測定が出来るようになった。また、ARPES像の空間分布を得るためのプログラム等の整備も進んでいる。そのため、今後はこのμARPES装置に電圧印加ホルダーを導入して、デバイス動作時の量子化状態を可視化することのできるオペラントμARPES装置へと進化させていく。
また、固体レーザーを用いてもKrFエキシマレーザと同等の試料が作製できるようになった。そのため上記の装置開発と同時並行して、共鳴トンネル誘起モットトランジスタの構造設計・原理検証のために、既存の装置を用いた研究を進めていく。具体的には、量子井戸材候補であるSrRuO3, SrNbO3、La1-xSrxTiO3、La1-xSrxVO3等を検討していく。
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