| 研究課題/領域番号 |
23K20274
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| 補助金の研究課題番号 |
20H02638 (2020-2023)
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| 研究種目 |
基盤研究(B)
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| 配分区分 | 基金 (2024)
補助金 (2020-2023) |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分30010:結晶工学関連
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| 研究機関 | 大阪大学 |
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研究代表者 |
Lee HeunTae 大阪大学, 大学院工学研究科, 講師 (90643297)
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| 研究分担者 |
Dino Wilson 大阪大学, 大学院工学研究科, 准教授 (60379146)
長久保 白 大阪大学, 大学院工学研究科, 助教 (70751113)
伊庭野 健造 大阪大学, 大学院工学研究科, 助教 (80647470)
佐藤 仁 広島大学, 放射光科学研究センター, 准教授 (90243550)
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| 研究期間 (年度) |
2020-04-01 – 2025-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2024年度)
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| 配分額 *注記 |
17,290千円 (直接経費: 13,300千円、間接経費: 3,990千円)
2024年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円)
2023年度: 3,250千円 (直接経費: 2,500千円、間接経費: 750千円)
2022年度: 4,030千円 (直接経費: 3,100千円、間接経費: 930千円)
2021年度: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)
2020年度: 5,850千円 (直接経費: 4,500千円、間接経費: 1,350千円)
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| キーワード | ベータタングステン / 薄膜 / プラズマ / 第一原理計算 / 光電子分光 / 電子状態 / 弾性定数 / スパッタリング / beta tungsten / sputtering / plasma / electronic properties / elastic properties |
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| 研究開始時の研究の概要 |
Recently, we have synthesized highly dense and pure beta tungsten (β-W) thin films of A15 structure - an important quantum material due to its giant spin Hall effect. Here, we elucidate the physical processes behind the synthesis of such high quality β-W films, by clarifying the role of particle kinetics, impurities, and defects by combined experimental and theoretical approaches. We clarify the relationship between synthesis conditions with β-W quantum properties, and apply such understanding to achieve breakthrough in synthesizing other novel quantum materials of A15 structure.
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| 研究実績の概要 |
令和4年度の研究実績は下記のとおりである。
1) レーザー誘起蛍光法計測システムを構築した。この方法を用いてアルゴン(Ar)の圧力がタングステン(W)中性粒子の速度分布に及ぼす影響を調査した。その結果、Ar圧力が減少すると熱的W粒子と高速W粒子の割合が減少することが分かった。Ar圧力が減少するとα-Wからβ-Wに結晶構造が変化することから、W中性粒子の速度分布が構造に及ぼす影響を明らかにした。W中性粒子の挙動をモデリングするため、W源であるWターゲットの表面結晶方位がスパッタリング率に及ぼす影響をより詳しく調べた。また、機械学習によるWスパッタリング率の角度依存性の予測も評価した。
2)巨大なスピンホール効果が予想されているA15構造を持つW-タンタル薄膜(W3Ta)の成膜にチャレンジした。様々な成膜条件で薄膜を合成し、結晶構造とTa/Wの組成率を評価した。その結果Ta/Wの組成率が0.02以上増加すると、A15構造からbcc構造に変化することが分かった。
3) 昨年度第一原理計算を用いて、β-Wよりα-Wの方が水素不純物の結合エネルギーが高いことを明らかにした。これを受けて、まずα-W中の欠陥と水素の相互作用を実験的に調べた。純Wの結晶粒と粒界分布が水素の吸増量に及ぼす影響が弱いことを明らかにした。また、巨大なスピンホール効果が予想されていW-レニウム(Re)合金中のReと水素の相互作用を明らかにするため、W-Re合金の水素吸増量も評価した。温度が600 K以下の領域ではW-Reと純Wの吸増量が良く一致したことから、Reと水素の相互作用は弱いと考えられた。
4) 薄膜の残力により生じる塑性変形損傷 (亀裂等) を評価するため、機械学習を用いてW中の亀裂発生に起因するアコースティックエミッション信号の分類を行った。その結果、亀裂が発生する位置（中心と周辺）を分類することができた。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
本研究は粒子の挙動、不純物、欠陥が、スパッタ法により成膜されたベータタングステン(β-W)薄膜の生成メカニズム及び機械的電子的特性に及ぼす影響を明らかにすることを目的としている。以下の点で当初の想定通り計画が進んでいるため、上記のように進捗状況を判断した。
○欠陥や応力の少ない純粋なβ-W薄膜の成膜制御に成功し、成膜パラメータ(圧力、ガス種、基板材料、温度)による結晶構造への影響を理解した。また、新たなレーザー誘起蛍光計測システムを構築し、W中性粒子の速度分布の測定を可能にした。計測の結果、β-Wの合成メカニズムは動力学的な機構に支配されていることが分かった。
○β-Wとα-Wの機械的電子的特性に関する差異を、実験的および理論的手法を組み合わせて解明した。また、β-Wとα-W中の不純物(酸素、水素、ヘリウム )が構造の安定性及び電子状態に及ぼす影響を明らかにした。 更に、W中の欠陥と水素の相互作用を実験的に明らかにした。
○上記の理解を基にしてβ-Wより巨大なスピンホール効果を持つタングステンタンタル合金の成膜にチャレンジすることが可能になった。Ta/Wの組成率を増加させるとA15構造からbcc構造に変化することから、A15構造を安定化する手法が必要であることが分かった。
○β-W生成メカニズムの解明及び損傷評価などに必要なモデリングを、一部機械学習を用いて行なった（スパッタリング率の予測、亀裂信号分類など）。
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| 今後の研究の推進方策 |
今後の研究の推進方策としては、以下の様に考えている。
1) レーザー誘起蛍光法計測システムを改良し、シグナルノイズ比を増加することでより精密な測定を行うことが必要である。
2) 欠陥や応力の少ない純粋なβ-Wの成膜に成功したため、β-Wの巨大なスピンホール効果が内因性か外因性かをスピン輸送実験から明らかにすることが可能である。
3) 巨大なスピンホール効果を持つW3Ta合金を成膜するために必要な条件を一部明らかにしたことで、成膜を実現できる可能性が高まったと考えられる。
4) β-Wが本来持つ電子状態の光電子分光測定に成功したため、不純物が電子状態に及ぼす影響を明らかにすることが可能である。
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