II-VI族半導体ZnOのd-p混成と電子強誘電性の発現機構

2001 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 12440078
• 研究機関: 北海道大学
• 研究代表者: 小野寺 彰 北海道大学, 大学院・理学研究科, 教授 (40142682)
• 研究分担者: 佐藤 博康 国立函館工業高等専門学校, 電子学科, 教授 (20149892)
• キーワード: 化合物半導体 / II-VI族半導体 / 強誘電体 / d-p混成 / 電子強誘電性 / ドーピング / 機能性材料 / 酸化亜鉛

研究概要

II-VI族半導体ZnOにLiドーピングすると強誘電性を示すことを発見し、この強誘電性の発現機構の解明を試みている。従来の対称性低下を伴なう構造変化による強誘電性相転移とは異なり、ZnとOのd-p混成が大きく関与している事が明らかになった。
3d電子を持たないアルカリイオンであるLiイオンのドーピングはこの混成を変化させると考えられる。この予想を確かめるため、(1)ZnO単結晶X線回折による精密な電子分布の解析、(2)Liの替わりに、Liとisoelectronicだがイオン半径が小さいBeドープZnO、電子構造が違うがイオン半径がほぼ等しいMgドープ結晶のドーパント依存性を調べ、ホスト原子とのイオン半径差の効果、d-p混成の電子構造差異による強誘電性への効果を調べ、強誘電性発現機構の解明が目的である。現在、以下のことが明らかになった。
(1) BeドープではT_cがLiドープ結晶とほぼ同じであるが、Mgドープ結晶では大きく低下する。ドーパントのイオンサイズの相違によるサイズ効果より、Zn3d電子の挙動が強誘電性に関係している。
(2) 電子密度分布解析からLiドープにより、結晶中のZn3d電子が欠如している。
これらの事実はd-p混成が強誘電性に起源に密接に結びついている事を意味し、ZnOは初めての電子強誘電体であることを示唆する。
この結果は、ドーパントにより、この物質の特性を半導体、透明伝導体、強誘電体に制御できる可能性を示唆し、次世代の光デバイスやメモリーデバイスのキーマテリアルとして期待される。

研究成果

• [文献書誌] A.Onodera: "Novel Ferroelectricity in II-VI Semiconductor ZnO"Ferroelectrics. (in print). (2002)
• [文献書誌] A. E.Islam, A.Sakai, A.Onodera: "Micro-Raman Scattering Study of Ferroelectric-Semiconductor Zn1-xLixO"Ferroelectrics. 261. 251-256 (2001)
• [文献書誌] S.Hagino, K.Yoshio, H.Satoh, M.Matsuki, A.Onodera: "Electronic Ferroelectricity in ZnO"Ferroelectrics. 264. 235-240 (2001)
• [文献書誌] K.Yoshio, H.Satoh, A.Onodera: "Crystal Structure of ZnO:Li at 293K and 19K by X-Ray Diffraction"Ferroelectrics. 264. 133-138 (2001)
• [文献書誌] H.Satoh, K.Yoshio, A.Onodera: "Effect of Cu-Doping on II-VI Semiconducting ZnO"Ferroelectrics. 264. 139-144 (2001)
• [文献書誌] A.Onodera, T.Yamazaki, H.Fujishita: "Thermal Behavior and Phase Transition in PZT near Morphotropic Phase Boundary"Ferroelectrics, Special issue on the 50^<th> Anniversary of the Discovery of Antiferroelectrics PbZrO3. 269(in print). (2002)