2015 Fiscal Year Annual Research Report
マンガン窒化物の電気抵抗極大：特異な伝導機構解明と抵抗標準材料への展開
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26286038
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
竹中 康司 名古屋大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (60283454)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
生田 博志 名古屋大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (30231129)
金子 晋久 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 計量標準総合センター, 研究グループ長 (30371032)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 新機能材料 / 抵抗標準 / 薄膜 / 逆ペロフスカイト |
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| Outline of Annual Research Achievements |
前年度に見出した、優れた電気抵抗の温度安定性を示すMn3Ag1-xCuxN多結晶焼結体に対して、電気抵抗の高精度測定から、電気抵抗値の経時変化を評価した。電極コンタクト形成や抵抗体試料の電極端子形状の工夫により、経時変化を年率で数ppm程度まで低減できた。市販品の経時変化が年率で1%程度であり、それに近い水準といえる。
標準抵抗用材料 に求められる性能のひとつとして、銅に対する熱起電力が小さい（数μV/K 程度）ことがある。代表的なマンガン窒化物であるMn3AgNについて熱起電力の評価を行った。測定の結果、Mn3AgNの対銅熱起電力は、室温付近で 約1.7 μV/Kであり、マンガニンと同等の対銅熱起電力が得られた。よって本物質は対銅熱起電力の観点からも標準抵抗の材料として適した特性を備えていることを実証した。
昨年度、強磁場スパッタ法でMn3(Cu1-xAgx)N薄膜成長に取り組み、最適成膜条件の同定や、アニール処理により膜質が向上することなどを見出した。ただし、MnOやCuが不純物として析出するなどの問題が残っていた。そこで、今年度はチタンを酸素ゲッターとして
用いることや、ターゲット組成の見直などを行った結果、単相のエピタキシャル薄膜を得ることに成功した。抵抗率や磁化率で観測される磁気転移温度もバルク試料とほぼ一致し、窒素欠損等もほぼない、良好な試料が得られたことが分かった。また、これらの薄膜を用いて、ホール係数などの物性評価も開始した。さらに、PLD法による薄膜作製にも着手した。
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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
Mn3CuNと組成は限定されているものの、単結晶薄膜作製に関して大きな進展があり、バルク試料とほぼ対応する物理特性が得られるまでになった。当該窒化物の単結晶薄膜作製は、中国はじめ世界各地で試みられているが、本成果ほどの品位を示すものの報告はない。本基盤研究の成否を左右する最も大きな要素が高品位の単結晶薄膜作製であり、今年度の取り組みでそれが達成できたと考える。
また、将来的な標準抵抗への適用を考える上で需要な要素である、抵抗値の経時変化についても、実用レベルである1ppm/yearに近い水準まで達成できた。来年度の取り組みで実用水準の達成が十分見込めると考える。
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| Strategy for Future Research Activity |
課題1（室温域に電気抵抗極大を有するMn3Ag1-xCuxN混晶系高品位単結晶薄膜の作製）今年度の強磁場スパッタ法による取り組みで、基本となるMn3CuNについて、バルク試料と対応する物理特性を示す高品位単結晶薄膜を作製できた。この成果を活用し、動作温度（抵抗極大温度）を制御する目的で、微量元素置換を施したMn3Ag1-xCuxN混晶系の単結晶薄膜を作製し、その抵抗温度特性を評価する。また、特異な伝導機構に関する微視的な情報を得るための反射率測定を試みる。さらに、今年度に予備的な実験に着手したPLD法による製膜も進める。
課題2（高精度電気抵抗測定）これまでの取り組みで得られた、抵抗標準材料として優れた抵抗温度特性を有するバルク焼結体ならびに薄膜について、産業技術総合研究所で高精度電気抵抗測定を行い、結果を組成制御による機能最適化にフィードバックする。
課題3（標準抵抗体応用を見据えた基盤技術開発）標準抵抗としての利用には、定められた抵抗値（例えば1Ω）となるよう、抵抗体を加工調整する必要がある。薄膜の場合、膜厚や製膜後のパターン形成により、広い範囲での抵抗値を実現できる可能性がある。課題1で作製された薄膜に対して、パターン形成を行い、その電気抵抗評価を行う。これらを通して、試料整形法・パターン形成法や電極形成法など、将来的な応用を見据えた技術開発を進める。とりわけ、実用にとって重要な経時変化測定を行い、経時変化を低減できる試料加工法や電極形成法を開発する。8桁以上の高精度で電気抵抗を測定できるため、研究期間内に経時変化評価ができる。
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| Causes of Carryover |
今年度は、強磁場スパッタ法によるマンガン窒化物薄膜の作製を、基本的な組成であるMn3CuNに特化して行ったため、スパッタ・ターゲット代が予定より少額で済んだことが、主たる理由である。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
次年度では、薄膜における電気抵抗－温度特性最適化への取り組みが本格化する。これまでのバルク試料での取り組みで、機能最適化のために必要となる注入元素の種類が想定していたよりも多いことが明らかになり、スパッタ・ターゲットの支出が増えるものと予測される。研究目標達成のためには、今年度未使用経費をそこに充当することが必要である。
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