2013 Fiscal Year Research-status Report
酸化亜鉛・マンガン酸化物ヘテロ積層膜の作成および新規ｐ－ｎ接合概念の提案と検証
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24560026
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| Research Institution | Mie University |
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Principal Investigator |
遠藤 民生 三重大学, 工学(系)研究科(研究院), 特任教授(継続雇用) (80115691)
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| Keywords | マンガン系酸化物 / 酸化亜鉛 / 新規ｐ－ｎ接合 / 薄膜配向成長 / 面直面内配向 / ステップ・テラス成長 / I-V整流特性 / 温度・光照射効果 |
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| Research Abstract |
イオンビームスパッタ法で各種基板上に六方晶系のZnO下層薄膜を堆積し、種々の堆積条件（基板温度や酸素分圧）で立方晶系のLSMO及びLBMO上層薄膜を成長した。これらの結晶性を面直・面内XRDで評価した。どれも高品質の結晶性が得られ、結晶配向性はバラエティーに富むが、堆積条件によって完全に制御でき、単相配向膜の成長に成功した。
LSMO/ZnOの面内配向を面内XRDを用いて詳細に調べた。
次にLBMO/ZnOヘテロ接合の作成を試みた。ZnO下層膜はMgOとサファイア基板上では面直(001)配向単相膜が成長し、LAOとSTO基板上では(110)主配向の(110)と(001)の混相膜が成長する。(001)単相及び(110)(001)混相ZnO下層膜上のLBMOは全て(110)単相膜が成長する。各基板上のZnOはステップ・テラス成長し、その上のLBMOも明瞭なステップ・テラス成長をした。STO基板上ではZnO(100 nm)もLBMO(60 nm)も最大のテラス幅を示した。
LBMO(p型)/ZnO(n型)ヘテロ接合は優れた整流(I-V)特性を示し、整流比はSTO基板で最大値(210)を示した。界面の平滑性が整流特性には重要な要素である。サファイア基板上のLBMO/ZnOの整流特性が温度によって大きく変調できることに成功した。整流比や接合抵抗の温度依存性は100 K辺りで極大を示し、基本的にLBMOの巨大磁気抵抗効果を反映したp-n接合が得られた。光を照射すると、接合特性の順方向電流は増大し、通常の振る舞いとは逆の奇妙な光照射効果を表した。LBMOの交換二重結合モデルに基づくものと思われる。LBMO/ZnOヘテロ接合は、ある程度大きな電流を流すとI-V特性が大きく変化することが明らかになった。巨大な抵抗スイッチやI-Vヒステリシスを表す。
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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
マンガン系酸化物（LSMO, LBMO）が有する大きな特徴である、巨大磁気抵抗効果を利用し、高品質薄膜成長が期待できるZnOと組み合わせることによって、新規ヘテロp-n接合を作成することが本研究の目的である。すなわち、温度・磁場・光照射で大きく変調できるp-n接合である。安定した制御性の良い接合特性を得るためには、結晶薄膜の配向成長を先ず制御できなければならないが、これは、基板温度、酸素分圧、酸素分子かプラズマ供給の堆積条件によって解決できた。次に均一な空乏層を得るためには表面平滑で結晶性の優れた薄膜を作成する必要がある。これもZnOとLBMOのその場成長・イオンビームスパッタ法を開発することによって、綺麗なステップ・テラス成長を示すほどの高品質薄膜成長を実現できた。このような薄膜の面内配向も明らかにでき、その原因が極性格子マッチに依ることが解明できた。
ヘテロ接合のI-V特性は明瞭な整流特性を示すので、立方晶系-六方晶系p-n接合が作成できた。整流比は基板に大きく依存するが、STO基板上では整流比が210にもなる良好なp-n接合が得られたので、大きな成果と言える。また整流比の大きさはある中間温度で極大を現わすので、明らかにLBMOの巨大磁気抵抗効果に基づく、絶縁体－金属転移の振る舞いを反映している。光照射効果は通常のp-n接合特性とは逆の振る舞いを示す。これもLBMOの特徴的な交換二重結合モデルを反映している。
このように、温度と光で変調できるヘテロp-n接合が得られたので、当初の目標のほぼ1/2ほどが達成できている。おおむね順調に計画が進展していると判断できる。今後は磁場変調を確認しなければならない。
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| Strategy for Future Research Activity |
今計画している新規p-n接合は４通りの組合せがある。つまり、LSMO/ZnO, LBMO/ZnO, ZnO/LSMO, ZnO/LBMOで、前２者は基板に先にZnOを堆積し、後２者は基板にLSMOやLBMOを先に堆積する。更にそれぞれの組合せにおいて、配向相の組合せが６(2x3)通りあるので、薄膜成長を極めて能率的に行わなければならない。そのためには、配向成長のその場モニターを活用する必要がある。その目的のためにRHEEDモニター系をチェンバーに取付け、成長中に堆積条件をコントロールして、薄膜配向成長をその場制御する。
現状ではInの溶着法で電極付けしているが、加熱することによる薄膜の変質の問題が考えられる。蒸着法やスパッタ法などによって、低温での電極付けを改善しなければならない。
p-n接合の整流特性の、ある範囲での温度依存性は得られたが、もっと詳細に、もっと低温まで測定しなければならない。そのためにはクライオスタット系、特にヒーター部分の改良が必要である。また、低温でのI-V測定時に光照射をしたい。更に、試料の温度をコントロールしながら磁場印加するためには、別のクライオスタット系を用いなければならない。そのための装置準備が必要になる。接合部の電気容量も測定したい。I-Vがスイッチ特性を示したので、その機構を明らかにしたい。強磁性金属相粒子のパーコレーション・モデルを推測しているので、試料のSQUID磁化の測定や、通電状態下でのSQUIDスキャンによって、強磁性粒子分布の電流変化を明らかにしたい。
FETタイプの積層接合試料を作成し、LSMO表面ドレイン電流をZnOゲート電圧でコントロールし、その磁場印加と光照射効果を確認したい。
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| Expenditure Plans for the Next FY Research Funding |
RHEED測定系の電源は初年度の予算で購入した。その他の部品系は、価格が予算範囲で変えないので、H25にはできるだけ予算を使わず、これをH26に繰り越して購入する計画である。
RHEED電子銃やスクリーンなど、RHEED測定に必要な部品を購入する。
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[Journal Article] Double-layer fabrication of cubic-manganites/hexagonal-ZnO on various substrates by ion beam sputtering, and variable electrical property2014
Author(s)
Akira Okada, Kenichi Uehara1, Miyoshi Yokura, Masahito Matsui, Katsuhiko Inaba, Shintaro Kobayashi, Kazuhiro Endo, Nobuyuki Iwata, Shunichi Arisawa, Jayan Thomas, Rita John, S. Lakshmi Reddy and Tamio Endo
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Journal Title
Jap. J. Appl. Phys.
Volume: 53
Pages: 05FB10 (1-9)
DOI
Peer Reviewed
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[Journal Article] Improvements of Underlayer ZnO Crystallinities During Overlayer Deposition of LSMO/ZnO2013
Author(s)
Akira Okada, Hiroshi Kezuka, Shunichi Arisawa, Tetsuo Tsuchiya, Kazuhiro Endo, Paolo Mele, Tamio Endo, et al
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Journal Title
Proc. ICCE-13, 2013/7/21-27, Tenerife, Spain, CDROM
Volume: ICCE-13
Pages: -
DOI
Peer Reviewed
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[Presentation] Curious Magnetism and I-V Characteristics of p-n Junction, Switching and Hysteresis of LBMO/ZnO Heterostructures <Keynote>2014
Author(s)
Tamio Endo, Toshiki Mori, Miyoshi Yokura, Satoru Kaneko, Tetsuo Tsuchiya, Hiroaki Nishikawa, Shunichi Arisawa, Yoshinobu Nakamura, Noriaki Ikenaga, Kazuhiro Endo
Organizer
ICMAGMA-14, 2014/9/15-17, Pondicherry, India
Place of Presentation
Pondicherry, India
Year and Date
20140915-20140917
Invited
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[Presentation] Lattice Matching Calculations for Out-of-plane Orientations of Cubic-LSMO on Hexagonal-(001)ZnO : Coulombic Energy2014
Author(s)
Toshiki Mori, Akira Okada, Kenichi Uehara, Miyoshi Yokura, S. Lakshmi Reddy, Rita John, Reji Philip, Kazuhiro Endo, Tamio Endo
Organizer
IUMRS-ICA-14, 2014/8/24-30, Fukuoka, Japan
Place of Presentation
Fukuoka, Japan
Year and Date
20140824-20140830
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[Presentation] Diverse I-V characteristics of heterojunction LMBO/ZnO prepared by IBS <Keynote>2014
Author(s)
Tamio Endo, Toshiki Mori, Miyoshi Yokura, Masahito Matsui, Hiroaki Nishikawa, Nobuyuki Iwata, Kazuhiro Endo, S. Lakshmi Reddy, Rita John
Organizer
OMEE-14, 2014/5/ 26-30, Lviv, Ukranine
Place of Presentation
Lviv, Ukranine
Year and Date
20140526-20140530
Invited
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[Presentation] Double Layer Fabrication of La(Ba, Sr)MnO3, and Junction/Switching Characteristics and Oprical Modulation <Keynote>2013
Author(s)
Tamio Endo, Akira Okada, Miyoshi Yokura, Hiroaki Nishikawa, Nobuyuki Iwata, Satoru Kaneko, et al
Organizer
PCGMR-NCKU Symposium, 2013/12/11-13, Tainan, Taiwan
Place of Presentation
Tainan, Taiwan
Year and Date
20131211-20131213
Invited
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[Presentation] Double-layer Fabrication of Cubic-Manganites/Hexagonal-ZnO and p-n Junction Characteristics2013
Author(s)
Akira Okada, Miyoshi Yokura, Katsuhiko Inaba, Shintaro Kobayashi, Nobuyuki Iwata, Shunichi Arisawa, Satoru Kaneko, Tamio Endo, et al
Organizer
MRS-J International Symposium, 2013/12/9-11, Yokohama, Japan
Place of Presentation
Yokohama, Japan
Year and Date
20131209-20131211
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[Presentation] Lattice Matching Calculations to Interpret In-plane Orientations of LSMO Grown on (0001)ZnO; Interface Distortion Energy and Coulombic Energy2013
Author(s)
Toshiki Mori, Miyoshi Yokura, Rita John, S. Lakshmi Reddy, Hiroshi Kezuka, Tamio Endo, et al
Organizer
MRS-J International Symposium, 2013/12/9-11, Yokohama, Japan
Place of Presentation
Yokohama, Japan
Year and Date
20131209-20131211
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[Presentation] Remarkable Differences in Heating Evolutions of Chemical Bonds in Plasma-irradiated and Non-irradiated PET Films2013
Author(s)
Kazuya Hanada, Miyoshi Yokura, Masatsugu Nagashima, Masahito Matsui, Yuichi Nakamura, Tamio Endo, et al
Organizer
MRS-J International Symposium, 2013/12/9-11, Yokohama, Japan
Place of Presentation
Yokohama, Japan
Year and Date
20131209-20131211
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[Presentation] Tolerance of Plasma-induced Bonding Ability of PET Films to Chemical Reagents, and its Quenching2013
Author(s)
Miyoshi Yokura, Yoshinobu Nakamura, Hiroaki Nishikawa, Kazuhiro Endo, Tamio Endo, et al
Organizer
MRS-J International Symposium, 2013/12/9-11, Yokohama, Japan
Place of Presentation
Yokohama, Japan
Year and Date
20131209-20131211
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[Presentation] Bonding Effect of Plasma-irradiated PET Film Can be Preserved after Soaking in Various Liquid Reagents2013
Author(s)
Miyoshi Yokura, Kenichi Uehara, Yoshinobu Nakamura, Hiroaki Nishikawa, Tetsuo Tsuchiya, S. L. Reddy, Reji Philip, Tamio Endo, et al
Organizer
JSAP-MRS-13F Joint Symposia, 2013/9/16-20, Kyoto, Japan
Place of Presentation
Kyoto, Japan
Year and Date
20130916-20130920
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[Presentation] Water Adsorption and Desorption on Plasma-Activated PET Film Surface2013
Author(s)
Kazuya Hanada, Miyoshi Yokura, Masahito Matsui, Hiroaki Nishikawa, Yuri Strzhemechny, Zorica Orel, Tamio Endo, et al
Organizer
JSAP-MRS-13F Joint Symposia, 2013/9/16-20, Kyoto, Japan
Place of Presentation
Kyoto, Japan
Year and Date
20130916-20130920
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[Presentation] Double-layer Fabrication of Cubic-Manganites/Hexagonal-ZnO on Various Substrates by Ion Beam Sputtering2013
Author(s)
Akira Okada, Kenichi Uehara, Miyoshi Yokura, Katsuhiko Inaba, Kazuhiro Endo, Nobuyuki Iwata, Shunichi Arisawa, Jayan Thomas, Tamio Endo, et al
Organizer
JSAP-MRS-13F Joint Symposia, 2013/9/16-20, Kyoto, Japan
Place of Presentation
Kyoto, Japan
Year and Date
20130916-20130920
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[Presentation] Synthesis, XRD and EPR Spectroscopic Characterization of Nano Copper Doped Alumino Zinc Ferrite <Invited>2013
Author(s)
S. Lakshmi Reddy, Reji Philip, Nobuyuki Iwata, Hiroaki Nishikawa, Tamio Endo, et al
Organizer
JSAP-MRS-13F Joint Symposia, 2013/9/16-20, Kyoto, Japan
Place of Presentation
Kyoto, Japan
Year and Date
20130916-20130920
Invited
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[Presentation] Improvements of Underlayer ZnO Crystallinities During Overlayer Deposition of LSMO/ZnO2013
Author(s)
Akira Okada, Hiroshi Kezuka, Shunichi Arisawa, Tetsuo Tsuchiya, Kazuhiro Endo, Paolo Mele, Tamio Endo, et al
Organizer
ICCE-13, 2013/7/21-27, Tenerife, Spain
Place of Presentation
Tenerife, Spain
Year and Date
20130721-20130727
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[Presentation] Fantastic Electric and Magnetic Properties of La(Ba)MnO3 Thin Films, and p-n Junction Characteristics and Optical Modulations of La(Ba)MnO3/ZnO Heterostructures <Invited>2013
Author(s)
Tamio Endo, Akira Okada, Hong Zhu, Josep Nogues, Jose Colino, Shunichi Arisawa, et al
Organizer
ICAIT-13, 2013/7/6-9, Hsinchu, Taiwan
Place of Presentation
Hsinchu, Taiwan
Year and Date
20130706-20130709
Invited
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