界面転位配列制御による高密度量子細線デバイスの開発

2015 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 26420662
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 斎藤 光浩 東京大学, 工学(系)研究科(研究院), 研究員 (00510546)
• Project Period (FY): 2014-04-01 – 2017-03-31
• Keywords: 量子細線 / 電子顕微鏡 / 転位 / 結晶界面

Outline of Annual Research Achievements

低次元量子構造である量子細線や量子ドットは、バルクとは完全に異なる物性を示すことから古くから注目されてきた。我々はそのような量子細線を絶縁体などの結晶内部に形成させる。その媒体として、結晶の線欠陥、すなわち「転位」に着目する。転位特有の性質を利用して、添加元素を転位に沿って拡散させて転位芯近傍に偏析させることができれば、溶質元素を一次元的に配列した量子細線構造を創出することが期待される。絶縁体結晶内部に量子細線を形成させる媒体として、転位を提案した。
転位を一次元的に配列させる条件を最適化した。最適な転位導入法は、バイクリスタル法であった。高純度(99.9%)酸化マグネシウム(MgO)のΣ5(310)[001]対応粒界(Σ粒界)および対応方位関係から僅かに傾角させたNear-Σ粒界をモデル系として比較する。汎用型透過型電子顕微鏡(CTEM)、球面収差補正走査透過型電子顕微鏡(STEM)を駆使して、残留不純物が偏析しやすい結晶粒界近傍における極微量不純物の所在と形成される微細構造を原子レベルで観察した。
Σ粒界について、高角環状暗視野(HAADF)像と原子分解EELSマッピングより、極微量の不純物であるカルシウム(Ca)原子とチタン(Ti)原子が同時に結晶粒界に偏析し、原子スケールで規則配列した自然には存在しない三次元構造(超構造)を形成していることが観察された。Near-Σ粒界の暗視野像では、等間隔で配列する直線状の刃状転位に起因するコントラストが観察された。対応方位関係からの僅かなずれによるミスマッチを補正するために、バーガースベクトルが非常に小さいDSC転位を導入して、ミスマッチ領域を局在化していることがわかった。粒界における規則的な超構造の自己組織化メカニズムを積極的に活用することで、量子細線の自己形成や大量導入が可能になるはずであり、様々な応用につなげていきたい。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

バイクリスタル法を利用することで、粒界に形成される特有な原子構造ユニットを一次元的に規則配列させることができた。さらに熱処理条件などを最適化し、再現性にも配慮することができた。また、結晶の接合角に依存して、粒界における構造ユニットの種類が異なっており、現段階では、熱処理条件や接合角によって、粒界構造を制御することが可能になりつつある。

Strategy for Future Research Activity

成功しているバイクリスタル法を用いて、粒界構造ユニットを自在に制御する技術をさらに確立させていきたい。構造ユニットには配列の規則性があるので、幾何学的にも考察していきたい。さらに元々結晶に含まれていた極微量の不純物であるカルシウム(Ca)原子とチタン(Ti)原子が同時に結晶粒界に偏析し、原子スケールで規則配列した自然には存在しない三次元構造(超構造)を形成していることが観察された。今後はこれらの欠陥構造および不純物原子がなぜ自己組織的に集合するか、それらが相乗効果でどのような電子状態を持っているか？など、第一原理計算に基づく理論計算を行い、シミュレーションも同時進行で実施していく予定である。

Causes of Carryover

想定より実験がスムーズに進み、高価な高純度単結晶ブロックの購入を少なくできたためである。

Expenditure Plan for Carryover Budget

次年度に主な経費として使用するものは、高純度単結晶ブロック、成果報告の旅費、論文投稿料、国際会議での成果報告のための渡航費などを計上させていただきたい。高価な単結晶ブロック代の支出をおさえることができたため、さらに他の結晶材料でも挑戦する選択肢を広げることができると思われる。

Research Products

• [Presentation] 対称傾角粒界の分解則について (2015)
  • Author(s): 井上和俊, 斎藤光浩, 王中長, 小谷元子, 幾原雄一
  • Organizer: 日本金属学会2015年秋季講演大会
  • Place of Presentation: 福岡県福岡市 九州大学伊都キャンパス
  • Year and Date: 2015-09-16 – 2015-09-16