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透明で金属的電気伝導を示すアモルファス物質の特異性の解明と設計指針の確立

研究課題

研究課題/領域番号 10450241
研究種目

基盤研究(B)

配分区分補助金
応募区分一般
研究分野 無機材料・物性
研究機関東京工業大学

研究代表者

細野 秀雄  東京工業大学, 応用セラミックス研究所, 教授 (30157028)

研究分担者 川副 博司  東京工業大学, 応用セラミックス研究所, 教授 (80087288)
嶋川 晃一  岐阜大学, 工学部, 教授 (60021614)
植田 和茂  東京工業大学, 応用セラミックス研究所, 助手 (70302982)
田中 啓司  北海道大学, 工学部, 教授 (20002313)
研究期間 (年度) 1998 – 1999
研究課題ステータス 完了 (1999年度)
配分額 *注記
13,400千円 (直接経費: 13,400千円)
1999年度: 2,200千円 (直接経費: 2,200千円)
1998年度: 11,200千円 (直接経費: 11,200千円)
キーワードアモルファス / 半導体 / 透明半導体 / 電子輸送特性 / 透明導電体 / アモルファス半導体 / 透明酸化物 / 電子状態 / イオン注入 / 自由電子吸収
研究概要

ガラスに代表されるように透明なアモルファス物質は電気的に絶縁性であることは「暗黙の常識」であろう。本研究者らは酸化物のバンド構造に関する化学的考察から設定した候補物質探索指針を設定し、それに基づきAgSbO_3やCdPbO_3など一連の透明伝導性アモルファス酸化物を発見した。これらの物質はホール効果のPN異常が見られないなどこれまでのアモルファス半導体にはみられないユニークな電子輸送特性をもつ。本研究は透明伝導性アルファモスの設計指針の確立と特異的な電子輸送特性の解明を目指して行なわれたものである。2年間の主な研究成果は以下のようにまとめられる。
(1)(n-1)d^<10>ns^0(n>4)なる電子配置を有する金属イオンの酸化物が候補物質である、という指針から選択した2CdO-GeO_2アモルファス薄膜が透明(バンドギャップ3.5eV)でありながら、イオン注入によって絶縁体から縮退半導体(伝導率200Scm^<-1>)へ転化できることを見出した。これはフェルミレベルが禁制帯の中央付近から伝導帯の低部まで連続的に制御できることを意味する。
(2)高伝導性2CdO-GeO_2およびCdO-PbO_2アモルファス薄膜の自由電子キャリアの光吸収帯はDrudeモデルを用い解析した。アモルファスでありながら、単一の緩和時間でフィットができ、平均自由工程、有効質量、そして微視的移動度という電子輸送特性に関する基本的パラメータを求めることができた。
(3)高伝導性2CdO-GeO_2薄膜を対象にX線動径分布関数を測定し、構造解析を行なった。その結果、Cd^<2+>とGe^<4+>のまわりの酸素配位数はそれぞれ〜6と〜4であり、対応する結晶相であるCd_2GeO_4(オリビン構造)中のそれを類似であった。よって、アモルファスであっても局所的には伝導性である結晶と類似も構造を有しており、伝導性も結晶の状態の性質を反映しているものと解釈される。この構造的知見は(3)のキャリアの吸収が単一の緩和時間で記述できるという結果と矛盾しない。
(4)透明伝導性酸化物の探索指針をアモルファスカルコゲナイド系に拡張し、これまでP型伝導性に限定されていたカルコゲナイド系ではじめてN型で高伝導性を示す物質、
Cd-In-Sを発見した。この物質もホール効果のPN異常を示さず、Seebeck係数、ホール係数ともマイナスであった。

報告書

(3件)
  • 1999 実績報告書   研究成果報告書概要
  • 1998 実績報告書
  • 研究成果

    (26件)

すべて その他

すべて 文献書誌 (26件)

  • [文献書誌] 細野秀雄: "ワイドギャップ導電性アモルファス酸化物の化学設計と電子輸送特性"応用物理. 67. 560-560 (1998)

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      「研究成果報告書概要(和文)」より
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      1999 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] 細野秀雄: "N-type Conducting Amorphous Chalcogenide Cd-In-S"J. Non-Cryst. Sol.. 227. 804 (1998)

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      1999 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] 嶋川晃一: "Free Carrier Absorption in Transparent Conducting Oxides"J. Non-Cryst. Sol.. 227. 513 (1998)

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      「研究成果報告書概要(和文)」より
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      1999 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] 鳴島 曉: "Electric Transport and Optical Properties of Proton-implanted Amorphous 2CαO-GeO_2 Films"J. Non-Cryst. Sol.. (accepted for publication).

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      「研究成果報告書概要(和文)」より
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      1999 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] 細野秀雄: "Formation of Electric Conducting Amorphous WO_3 Thin Films by Ion Implantation"J. Non-Cryst. Sol.. 241. 190 (1998)

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      「研究成果報告書概要(和文)」より
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      1999 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] 細野秀雄: "Excimer laser Crystallization of Amorphous ITO and its Application to Fabrication of Bragg Gratings"Thin Solid Films. 351. 137 (1999)

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      「研究成果報告書概要(和文)」より
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      1999 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] 嶋川晃一: "Electronic Transport in Degenerate Amorphous Oxide Semiconductors"Philos. Mag. Lett.. 79. 755 (1999)

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      「研究成果報告書概要(和文)」より
    • 関連する報告書
      1999 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] H. Hosono, H. Kawazoe, K. Shimakawa: "Chemical design and Electronic transport Properties of Wide Gap Transparent Conducting Oxides"Oyou-Butsuri. 67. 560 (1999)

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      「研究成果報告書概要(欧文)」より
    • 関連する報告書
      1999 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] H. Hosono, M. Maeda, H. Kawazoe: "N-type Conducting Amorphous Chalcogenide Cd-In-S"J. Non-Cryst. Sol.. 227. 804 (1998)

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      「研究成果報告書概要(欧文)」より
    • 関連する報告書
      1999 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] K. Shimakawa, H. Hosono, H. Kawazoe: "Free Carrier Absorption in Transparent Conducting Oxides"J. Non-Cryst. Sol.. 227. 513 (1998)

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      「研究成果報告書概要(欧文)」より
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      1999 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] K. Tanaka and H. Hosono: "Photoconduction in Muticomponent Oxide Glasses"J. Non-Cryst. Sol.. 224. 43 (1998)

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      「研究成果報告書概要(欧文)」より
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      1999 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] H. Hosono, M. Miyakawa, H. Kawazoe: "Formation of Electric Conducting Amorphous WOィイD23ィエD2 Thin Films by Ion implantation"J. Non-Cryst. Sol.. 241. 190 (1998)

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      「研究成果報告書概要(欧文)」より
    • 関連する報告書
      1999 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] H. Hosono, M. Kurita, H. Kawazoe: "Excimer laser Crystallization of Amorphous ITO and Its Applocation to Fabrication of Bragg Gratings"Thin Solid Films. 351. 137 (1999)

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      「研究成果報告書概要(欧文)」より
    • 関連する報告書
      1999 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] H. Shimakawa, S. Narushima, H. Hosono: "Electronic Transport in Degenerate Amorphous Oxide Semiconductors"Philos. Mag. Lett.. 79. 755 (1999)

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      「研究成果報告書概要(欧文)」より
    • 関連する報告書
      1999 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] S. Narushima, H. Hosono, T. Yokoo, K. Shimakawa: "Electronic Transport and Optical Properties of Proton-implanted Amorphous 2CdO-GeOィイD22ィエD2 Films"J. Non-Cryst. Sol. accepted for publication.

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      「研究成果報告書概要(欧文)」より
    • 関連する報告書
      1999 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] 嶋川晃一: "Electronic Traansport in Degenerate Amorphous Oxide Semiconductors"Philosophical Magazine Letters. 79. 755-761 (1999)

    • 関連する報告書
      1999 実績報告書
  • [文献書誌] 鳴島 暁: "Electronic Transport and Optical Properties of Proton-implanted Amorphous 2CdO-GeO2 Thin Films"J.Non-Cryst.Sol. (印刷中). (2000)

    • 関連する報告書
      1999 実績報告書
  • [文献書誌] 細野秀雄: "透明電子活性結晶・アモルファス"セラミックスデータブック'99. 27. 245-248 (1999)

    • 関連する報告書
      1999 実績報告書
  • [文献書誌] 細野 秀雄: "Experimental Evidence for Frenkel Defect Formation in Amorphous SiO_2 by Electronic Excitation" Physical Review Letters. 317. 317-320 (1998)

    • 関連する報告書
      1998 実績報告書
  • [文献書誌] 細野 秀雄: "Defect formation in amorphous SiO_2 by ion implantation" Nuclear Instrument and Methods in Physics Research. B141. 566-574 (1998)

    • 関連する報告書
      1998 実績報告書
  • [文献書誌] 西井準治: "Origin of Enormous photon-induced volume expansion of GeO_2-SiO_2 Thin Eilms" Nuclear Instrument and Methods in Physics Research. B141. (1998)

    • 関連する報告書
      1998 実績報告書
  • [文献書誌] 渡辺裕一: "Permanent refractive index changes in GeO2 glass slabs induced by rradiation with sub band gap light" Journal of Non-Crystalline Solids. 239. 104-107 (1998)

    • 関連する報告書
      1998 実績報告書
  • [文献書誌] 水口雅史: "Detection and Analysis of ^<29>Si Hyperfine Structures in EPR Spectra of E' and E'-type Centers in SiO2 Glasses" Materials Science and Engineering. B54. 38-42 (1998)

    • 関連する報告書
      1998 実績報告書
  • [文献書誌] 河村賢一: "Proton-implantation-induced optical phenomena in SiO2 : GeO2 Glasses" Materials Science and Engineering. B54. 18-23 (1998)

    • 関連する報告書
      1998 実績報告書
  • [文献書誌] 山嵜正明: "Long Luminescent Glass : Tb^<3+>-activated ZnO-B_2O_3-SiO_2 Glass" Journal of Non-Crystalline Solids. 241. 71-73 (1998)

    • 関連する報告書
      1998 実績報告書
  • [文献書誌] 細野 秀雄: "Photosensitivity in Glass and Second Order Optical Nonlinearity (印刷中)" Springer-Verlog, (1999)

    • 関連する報告書
      1998 実績報告書

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公開日: 1998-04-01   更新日: 2016-04-21  

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