電気分極の電界効果により傾斜する酸化物強誘電体のバンド構造の研究

• 研究課題/領域番号: 19K05271
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分29020:薄膜および表面界面物性関連
• 研究機関: 岡山大学
• 研究代表者: 狩野 旬 岡山大学, 自然科学学域, 准教授 (50375408)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2022-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2021年度)
• 配分額: 4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円); 2021年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円); 2020年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円); 2019年度: 2,340千円 (直接経費: 1,800千円、間接経費: 540千円)
• キーワード: 強誘電体 / バンド構造 / 角度分解光電子分光法 / 薄膜 / 電気分極 / 角度分解硬X線光電子分光 / 半導体物性 / 電子構造

研究開始時の研究の概要

近年，新規強誘電体デバイスとしてメモリが提案され，その動作原理がバンド傾斜構造を用いて解釈されている。バンド傾斜する方向は電気分極向きに対応するため，電子の能動的な移動が制御可能なシステムとなる。本研究では，分極向きが揃ったエピタキシャルな強誘電体酸化物薄膜をパルスレーザー堆積法により合成し，その試料に対し分極方向への深さスキャン可能な角度分解硬X線光電子分光実験によるバンド傾斜の直接観測を試みる。バンド傾斜観測に成功すれば，強誘電体の分極形成機構がバンド傾斜を特徴とする電子構造から解明でき，強誘電体中の特異な電子挙動を使ったメモリの精密設計が可能となる。

研究成果の概要

放射光硬X線を用いた角度分解光電子分光実験を行うことにより，強誘電体の傾斜したバンド構造を電気分極方向をスイッチさせることで傾斜方向が変わる様子を観測することに成功した（Sci. Rep. 10, 10702 (2020)，SPring-8プレスリリース2020/7/3付）。また各イオンの原子軌道のエネルギーシフト量を比較することで，強誘電性の起源となる電気分極の成り立ちについて，フォノンと電子構造の双方から議論を可能とし，新たな誘電体学理への道を切り開いた。なお，本研究は仏のグループとの共同研究により加速進展したため，R3年度国際共同研究強化（A）に申請し採択された。

研究成果の学術的意義や社会的意義

スマートフォンなどに用いられるコンデンサーの基幹材料である強誘電体は，電荷を蓄えられるだけでなく，ダイオードのような電気の流れ方をすることが最近わかってきた。その動作原理は，「傾斜したバンド構造」によるものと考えられてきたが，実証した例はなかった。我々は放射光を用いた実験により，初めて傾斜したバンド構造の直接観測に成功した。今回の成果により，強誘電体を用いた新しいデバイス開発の進展が期待される。

研究成果

• [国際共同研究] CentraleSupelec(フランス)
• [雑誌論文] High valence states of Pd supported on ferroelectric BaTiO₃ driven by electric polarization (2021)
  • 著者名/発表者名: Yoshida Tasuku、Kano Jun、Mizumaki Masaichiro、Tamenori Yusuke、Nitta Kiyofumi、Kato Kazuo、Hinokuma Satoshi、Oshime Norihiro、Hirose Satoshi、Mikami Hitoshi、Ikeda Naoshi、Fujii Tatsuo、Nishina Yuta、Okubo Tomoko
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 119 号: 9 ページ: 092904-092904
  • DOI: 10.1063/5.0066289
  • 査読あり
• [雑誌論文] Skewing of electronic band along the direction of electric polarization in ferroelectrics (2021)
  • 著者名/発表者名: Jun Kano, Norihiro Oshime
  • 雑誌名: SPring-8/SACLA Research Frontiers 2020 巻: 2020 ページ: 58-59
  • 査読あり
• [雑誌論文] Single domain growth and charge ordering of epitaxial YbFe₂O₄ films (2021)
  • 著者名/発表者名: Sakagami Takumi、Ota Reika、Kano Jun、Ikeda Naoshi、Fujii Tatsuo
  • 雑誌名: CrystEngComm 巻: 23 号: 35 ページ: 6163-6170
  • DOI: 10.1039/d1ce00834j
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Light reflectance and photoelectron yield spectroscopy enable acceptor level measurement in p-type Ba1-xTiO3 semiconductor (2021)
  • 著者名/発表者名: Fujii Saya、Kano Jun、Oshime Norihiro、Higuchi Tohru、Nishina Yuta、Fujii Tatsuo、Ikeda Naoshi、Ota Hiromi
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 129 号: 8 ページ: 084105-084105
  • DOI: 10.1063/5.0033761
  • 査読あり
• [雑誌論文] Surface Electron-Ion Mixed Conduction of BaTiO3-δ Thin Film with Oxygen Vacancies (2021)
  • 著者名/発表者名: Takada Tomoasa、Fujita Takeshi、Imagawa Takehiro、Yamamoto Emi、Kano Jun、Shiga Daisuke、Horiba Koji、Kumigashira Hiroshi、Higuchi Tohru
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 90 号: 1 ページ: 014707-014707
  • DOI: 10.7566/jpsj.90.014707
  • NAID: 40022452842
  • 査読あり
• [雑誌論文] 強誘電体の電子構造─反電場効果により傾斜するバンド構造─ (2021)
  • 著者名/発表者名: 狩野 旬 , 押目 典宏 , 池永 英司 , 安井 伸太郎 , 日隈 聡士 , 保井 晃
  • 雑誌名: セラミックス 巻: 56 ページ: 463-466
  • 査読あり
• [雑誌論文] 強誘電体チタン酸バリウムの電気分極に誘起された バンド傾斜構造の観測 (2021)
  • 著者名/発表者名: 押目典宏 , 狩野旬
  • 雑誌名: 放射光 巻: 34 ページ: 225-234
  • NAID: 40022667534
  • 査読あり
• [雑誌論文] Skewed electronic band structure induced by electric polarization in ferroelectric BaTiO3 (2020)
  • 著者名/発表者名: Oshime Norihiro、Kano Jun、Ikenaga Eiji、Yasui Shintaro、Hamasaki Yosuke、Yasuhara Sou、Hinokuma Satoshi、Ikeda Naoshi、Janolin Pierre-Eymeric、Kiat Jean-Michel、Itoh Mitsuru、Yokoya Takayoshi、Fujii Tatsuo、Yasui Akira、Osawa Hitoshi
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 10 号: 1 ページ: 10702-10702
  • DOI: 10.1038/s41598-020-67651-w
  • NAID: 120006872416
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] Skewed Electronic Band Structure of Ferroelectric BaTiO3 Studied by Angle-resolved Hard X-ray Photoemission Spectroscopy (2020)
  • 著者名/発表者名: Jun Kano, Norihiro Oshime, Eiji Ikenaga, Shintaro Yasui, Yosuke Hamasaki, Sou Yasuhara, Satoshi Hinokuma, Naoshi Ikeda, Pierre-Eymeric Janolin, Jean-Michel Kiat, Mitsuru Itoh, Takayoshi Yokoya, Tatsuo Fujii, Akira Yasui, and Hitoshi Osawa
  • 学会等名: The international workshop for synergetic collaboration between material and synchrotron science through IMR-MAX IV joint research (IMR+MAX IV 2020)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Skewed core level atomic orbitals in ferroelectric BaTiO3 induced by electric polarization (2019)
  • 著者名/発表者名: Jun Kano, Norihiro Oshime, Eiji Ikenaga, Shintaro Yasui, Yosuke Hamasaki, Sou Yasuhara, Satoshi Hinokuma, Naoshi Ikeda, Pierre-Eymeric Janolin, Jean-Michel Kiat, Mitsuru Itoh, Takayoshi Yokoya, Tatsuo Fujii, Akira Yasui, and Hitoshi Osawa
  • 学会等名: HAXPES2019
  • 国際学会