単純酸化物薄膜が創る複雑な構造・電子物性

• 研究課題/領域番号: 16H05983
• 研究種目: 若手研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 研究分野: 薄膜・表面界面物性
• 研究機関: 東北大学 (2018); 東京工業大学 (2016-2017)
• 研究代表者: 吉松 公平 東北大学, 多元物質科学研究所, 講師 (30711030)
• 研究協力者: 大友 明 ; 大島 孝仁 ; 坂田 修身 ; 組頭 広志 ; 堀場 弘司
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2019-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2018年度)
• 配分額: 25,740千円 (直接経費: 19,800千円、間接経費: 5,940千円); 2018年度: 2,860千円 (直接経費: 2,200千円、間接経費: 660千円); 2017年度: 5,590千円 (直接経費: 4,300千円、間接経費: 1,290千円); 2016年度: 17,290千円 (直接経費: 13,300千円、間接経費: 3,990千円)
• キーワード: 酸化物薄膜 / 酸化チタン / 超伝導 / 金属絶縁体転移 / パルスレーザ堆積法

研究成果の概要

本研究では還元化型の単純チタン酸化物（TiOx, x < 2）に着目し、パルスレーザ堆積法による薄膜合成と電子物性探索を行った。Ti2O3, γ-Ti3O5, Ti4O7薄膜の合成に成功し、Ti2O3ではエピタキシャル薄膜による絶縁相の安定化と巨大な異方性伝導を明らかにした。γ-Ti3O5とTi4O7では薄膜超伝導を発見し、超伝導転移温度がそれぞれ7.1 Kと3.0 Kであることを明らかにした。

研究成果の学術的意義や社会的意義

酸化チタン系材料では、二酸化チタン（TiO2)が光触媒や顔料に応用されている。本研究は酸化チタン材料のさらなる応用目指し、電子物性に着目して研究を進めた。その結果、Ti2O3の半導体的特性やTi3O5, Ti4O7の超伝導特性を明らかにした。絶縁体的特性を持つTiO2や金属Tiを含めると、酸化チタン系材料で絶縁体-半導体-金属-超伝導のすべての電子物性が発現することを見出した。すなわち、本研究により安全で安価な酸化チタン材料を用いた「酸化チタンエレクトロニクス」実現の可能性が示された。

研究成果

• [雑誌論文] High pressure study for superconductivity in Ti4O7 films (2019)
  • 著者名/発表者名: S. Sekiguchi, T. Shiraishi, K. Miura, C. Kawashima, K. Yoshimatsu, A. Ohtomo, H. Kamioka, H. Takahashi
  • 雑誌名: Journal of the Physics Society of Japan 巻: 88 号: 3 ページ: 035001-035001
  • DOI: 10.7566/jpsj.88.035001
  • 査読あり
• [雑誌論文] Band alignment at β-(AlxGa1-x)2O3/β-Ga2O3 (100) interface fabricated by pulsed-laser deposition (2018)
  • 著者名/発表者名: Wakabayashi Ryo、Hattori Mai、Yoshimatsu Kohei、Horiba Koji、Kumigashira Hiroshi、Ohtomo Akira
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 112 号: 23 ページ: 232103-232103
  • DOI: 10.1063/1.5027005
  • 査読あり
• [雑誌論文] Large anisotropy in conductivity of Ti2O3 films (2018)
  • 著者名/発表者名: Yoshimatsu K.、Kurokawa H.、Horiba K.、Kumigashira H.、Ohtomo A.
  • 雑誌名: APL Materials 巻: 6 号: 10 ページ: 101101-101101
  • DOI: 10.1063/1.5050823
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Anisotropic Charge Distribution Induced by Spin Polarization in La0.6Sr0.4MnO3 Thin Films Studied by X-ray Magnetic Linear Dichroism (2018)
  • 著者名/発表者名: G. Shibata, K. Yoshimatsu, K. Ishigami, T. Harano, Y. Takahashi, S. Sakamoto, Y. Nonaka, T. Kadono, M. Furuse, S. Fuchino, M. Okano, J. Fujihira, A. Uchida, K. Watanabe, H. Fujihira, S. Fujihira, A. Tanaka, H. Kumigashira, T. Koide, and A. Fujimori
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 87 号: 11 ページ: 114713-114713
  • DOI: 10.7566/jpsj.87.114713
  • NAID: 210000135022
  • 査読あり
• [雑誌論文] Anisotropic spin-density distribution and magnetic anisotropy of strained La1-xSrxMnO3 thin films: Angle-dependent x-ray magnetic circular dichroism (2018)
  • 著者名/発表者名: G. Shibata, M. Kitamura, M. Minohara, K. Yoshimatsu, T. Kadono, K. Ishigami, T. Harano, Y. Takahashi, S. Sakamoto, Y. Nonaka, K. Ikeda, Z. Chi, M. Furuse, S. Fuchino, M. Okano, J. Fujihira, A. Uchida, K. Watanabe, H. Fujihira, S. Fujihira, A. Tanaka, H. Kumigashira, T. Koide, and A. Fujimori
  • 雑誌名: npj Quantum Materials 巻: VOL. 3 号: 1 ページ: 3-3
  • DOI: 10.1038/s41535-018-0077-4
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Electronic properties across metal-insulator transition in β-pyrochlore-type CsW2O6 epitaxial films (2018)
  • 著者名/発表者名: Soma Takuto、Yoshimatsu Kohei、Horiba Koji、Kumigashira Hiroshi、Ohtomo Akira
  • 雑誌名: Physical Review Materials 巻: 2 号: 11 ページ: 115003-115003
  • DOI: 10.1103/physrevmaterials.2.115003
  • 査読あり
• [雑誌論文] Highly oriented epitaxial CaFe 2 O 4 thin films on TiO 2 substrates grown by pulsed-laser deposition (2017)
  • 著者名/発表者名: Nishiyama Nana、Mashiko Hisanori、Yoshimatsu Kohei、Horiba Koji、Kumigashira Hiroshi、Ohtomo Akira
  • 雑誌名: Thin Solid Films 巻: 638 ページ: 406-409
  • DOI: 10.1016/j.tsf.2017.08.003
  • 査読あり
• [雑誌論文] Epitaxial structure and electronic property of β-Ga2O3 films grown on MgO (100) substrates by pulsed-laser deposition (2017)
  • 著者名/発表者名: R. Wakabayashi, K. Yoshimatsu, M. Hattori, A. Ohtomo
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 111 号: 16 ページ: 162101-162101
  • DOI: 10.1063/1.4990779
  • 査読あり
• [雑誌論文] Effects of phase fraction on superconductivity of low-valence eutectic titanate films (2017)
  • 著者名/発表者名: H. Kurokawa, K. Yoshimatsu, A. Ohtomo
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 122 号: 5 ページ: 055302-055302
  • DOI: 10.1063/1.4997443
  • 査読あり
• [雑誌論文] Electronic Structures and Photoanodic Properties of Ilmenite-type MTiO3 Epitaxial Films (M = Mn, Fe, Co, Ni) (2017)
  • 著者名/発表者名: Yoshimatsu K.、Mashiko H.、Umezawa N.、Horiba K.、Kumigashira H.、Ohtomo A.
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry C 巻: 121 号: 34 ページ: 18717-18724
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.7b06076
  • 査読あり
• [雑誌論文] Emergence of Quantum Critical Behavior in Metallic Quantum-Well States of Strongly Correlated Oxides (2017)
  • 著者名/発表者名: Kobayashi Masaki、Yoshimatsu Kohei、Mitsuhashi Taichi、Kitamura Miho、Sakai Enju、Yukawa Ryu、Minohara Makoto、Fujimori Atsushi、Horiba Koji、Kumigashira Hiroshi
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 7 号: 1 ページ: 16621-16621
  • DOI: 10.1038/s41598-017-16666-x
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Superconductivity in Ti4O7 and γ-Ti3O5 films (2017)
  • 著者名/発表者名: K. Yoshimatsu, O. Sakata, A. Ohtomo
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 7 号: 1 ページ: 1-6
  • DOI: 10.1038/s41598-017-12815-4
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Microwave Effects on Co-Pi Co-catalysts Deposited on α-Fe2O3 for Application to Photocatalytic Oxygen Evolution (2017)
  • 著者名/発表者名: Masato Maitani, Takuya Yamada, Hisanori Mashiko, Kohei Yoshimatsu, Takayoshi OSHIMA, A. Ohtomo, Yuji Wada
  • 雑誌名: ACS Applied Materials & Interfaces 巻: 9 号: 12 ページ: 10349-10354
  • DOI: 10.1021/acsami.6b16319
  • 査読あり
• [雑誌論文] Insulator to metal transition of WO3 epitaxial films induced by electrochemical Li-ion intercalation (2016)
  • 著者名/発表者名: K. Yoshimatsu, T. Soma, A. Ohtomo
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 9 号: 7 ページ: 075802-075802
  • DOI: 10.7567/apex.9.075802
  • NAID: 210000137994
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Epitaxial growth of hexagonal tungsten bronze CsxWO3 films in superconducting phase region exceeding bulk limit (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Soma, K. Yoshimatsu, A. Ohtomo
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 9 号: 7 ページ: 075801-075801
  • DOI: 10.7567/apex.9.075801
  • NAID: 210000137993
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Impact of built-in potential across LaFeO3/SrTiO3 heterojunctions on photocatalytic activity (2016)
  • 著者名/発表者名: K. Nakamura, H. Mashiko, K. Yoshimatsu, A. Ohtomo
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 108 号: 21
  • DOI: 10.1063/1.4952736
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Epitaxial synthesis and physical properties of double-perovskite oxide Sr2CoRuO6 thin films (2016)
  • 著者名/発表者名: K. Watarai, K. Yoshimatsu, K. Horiba, H. Kumigashira, O. Sakata, and A. Ohtomo
  • 雑誌名: J. Phys.: Condens. Matter 巻: 28 号: 43 ページ: 436005-436005
  • DOI: 10.1088/0953-8984/28/43/436005
  • 査読あり
• [雑誌論文] Epitaxial growth and electric properties of γ-Al2O3 (110) films on β-Ga2O3 (010) substrates (2016)
  • 著者名/発表者名: M. Hattori, T. Oshima, R. Wakabayashi, K. Yoshimatsu, K. Sasaki, T. Masui, A. Kuramata, S. Yamakoshi, K. Horiba, H. Kumigashira, A. Ohtomo
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 55 号: 12 ページ: 1202B6-1202B6
  • DOI: 10.7567/jjap.55.1202b6
  • NAID: 210000147266
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Photon-dressed two-dimensional carriers on the ZnO surface (2016)
  • 著者名/発表者名: R. Yukawa, K. Ozawa, S. Yamamoto, H. Iwasawa, K. Shimada, E. F. Schwier, K. Yoshimatsu, H. Kumigashira, H. Namatame, M. Taniguchi, and I. Matsuda
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 94 号: 16
  • DOI: 10.1103/physrevb.94.165313
  • 査読あり
• [雑誌論文] Strain-induced metal-insulator transition in t2g electron system of perovskite titanate films (2016)
  • 著者名/発表者名: K. Yoshimatsu, H. Okabe, T. Oshima, S. Ueda, A. Ohtomo
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 93 号: 19
  • DOI: 10.1103/physrevb.93.195159
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [学会発表] Growth of group of IV hydride films using pulsed-laser deposition (2018)
  • 著者名/発表者名: K. Yoshimatsu
  • 学会等名: The 4th Korea-Japan Joint Symposium on Hydrogen in Materials
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 酸化チタン系超伝導材料の創生と電子デバイス応用 (2018)
  • 著者名/発表者名: 吉松 公平
  • 学会等名: ファインケミカルジャパン2018
  • 招待講演
• [学会発表] Epitaxial growth and physical properties of low-valence titanium oxide films (2017)
  • 著者名/発表者名: K. Yoshimatsu
  • 学会等名: 2017 Collaborative Conference on Materials Research
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Superconductivity in higher titanium oxides (2017)
  • 著者名/発表者名: K. Yoshimatsu, O. Sakata, A. Ohtomo
  • 学会等名: 3rd Functional Oxide Thin Films for Advanced Energy and Information Technology Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Modulation of superconductivity in oxide films using Li-ion electrochemical reactions (2017)
  • 著者名/発表者名: K. Yoshimatsu
  • 学会等名: BIT's 7th Annual World Congress of Nano Science & Technology 2017
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Modulation of superconductivity in oxide films using Li-ion electrochemical reactions (2016)
  • 著者名/発表者名: K. Yoshimatsu
  • 学会等名: 2nd World Congress on Materials Science
  • 発表場所: Abu Dhabi, UAE
  • 年月日: 2016-11-28
  • 国際学会 / 招待講演
• [備考] 酸化チタンの新機能を発見 ―薄膜形状で超伝導を実現―
  • URL: https://www.titech.ac.jp/news/2017/039414.html
• [産業財産権] 金属化合物結晶性膜及びその製法 (2016)
  • 発明者名: 大友明、吉松公平、呉東広平
  • 権利者名: 大友明、吉松公平、呉東広平
  • 産業財産権種類: 特許
  • 出願年月日: 2016-08-05