セラミック薄膜における相化学的特異現象の解明とその誘起物性への応用

2003 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 13450266
• 研究機関: 東京工業大学
• 研究代表者: 水谷 惟恭 東京工業大学, 大学院・理工学研究科, 教授 (60016558)
• 研究分担者: 木口 賢紀 東京工業大学, 総合分析支援センター, 助手 (70311660) ; 脇谷 尚樹 東京工業大学, 大学院・理工学研究科, 助手 (40251623) ; 篠崎 和夫 東京工業大学, 大学院・理工学研究科, 助教授 (00196388)
• キーワード: ドーピング / 薄膜 / 格子定数 / 半導体 / ペロブスカイト / PLD / MOD / TEM

研究概要

本研究は今後電子セラミックス部品やメモリーデバイスなどに広く利用されることが予想されるペロブスカイト構造セラミックス薄膜に見られるバルク体(焼結体)とは異なる、いわば異常現象を明らかにし、その機構を解明して、セラミック薄膜の特異性から新たな機能を探索する手がかりを得ようとするものである。ここでの特異性は異種原子のドーピング化の難易性、固溶域の拡大、超格子の出現、超薄層からなる積層体の出現などである。平成15年度は3年目であるため、種々の方法で作成したセラミックス薄膜におけるドーピング異常現象をデータから探索し、物性との関係を検討した。その結果、(1)PLD法で作製したSrTiO_3薄膜ではMOCVDで作製した薄膜と同様に広いSr/Ti比において単相のペロブスカイト相が生成し、格子定数が連続的に大きく変化することを見いだした。これらの試料のTEM観察からは顕著な格子欠陥は見られなかった。一方、化学溶液法であるMOD法で作製したSrTiO_3薄膜はアモルファスとなり、結晶化しなかった。さらに、作製した薄膜の還元熱処理により電流-電圧特性のSr/Ti比依存性を調べた。その結果、電流-電圧特性が直線的に成るものとバリスタ特性を示すものがあることが明らかになった。さらに、(2)バルクでは安定化ジルコニア(YSZ)中にNbはほとんど固溶しないが、PLD法でNbを添加したYSZ薄膜を作製すると、少なくとも20mol%までのNb_2O_5添加までYSZの格子定数は連続的に変化し、容量-電圧特性が著しく改善されることが見いだされた。これらの例が示すように、薄膜ではバルクでは理解することができない多くの異常現象が見いだされた。

研究成果

• [文献書誌] N.Wakiya, T.Moriya, K.Shinozaki, N.Mizutani: "Improvement of capacitance-voltage (C-V) characteristics of YSZ/Si(001) and ZrO_2/Si thin film by Nb-doping"Mat.Res.Soc.Symp.Proc.. 747. 153-158 (2003)
• [文献書誌] T.Yamada, T.Kiguchi, N.Wakiya, K.Shinozaki, N.Mizutani: "Role of the First Atomic Layers in Epitaxial Relationship and Interface Characteristics of SrTiO_3 Films on CeO_2/YSZ/Si(001)"Mat.Res.Soc.Symp.Proc.. 747. 243-254 (2003)
• [文献書誌] C.H.Chen, T.Kiguchi, N.Wakiya, K.Shinozaki, N.Mizutani: "Characterization of defect type and dislocation density in double oxide heteroepitaxial CeO_2/YSZ/Si (001) films"Applied Physics A. 76. 969-973 (2003)
• [文献書誌] T.Yamada, N.Wakiya, K.Shinozaki, N.Mizutani: "Epitaxial growth of SrTiO_3 films on CeO_2/yttria-stabilized zirconia/Si(001) with TiO_2 atomic layer by pulsed-laser deposition"Applied Physics Letters. 83. 4815-4817 (2003)
• [文献書誌] C.H.Chen, A.Saiki, N.Wakiya, K.Shinozaki, N.Mizutani: "Effects of deposition temperature on structural defect and electrical resistivity in heteroepitaxial La_<0.5>Sr_<0.5>CoO_3/CeO_2/YSZ/Si films"J.Vac.Sci, Technol.. A20. 1749-1754 (2002)
• [文献書誌] T.Kiguchi, N.Wakiya, K.Shinozaki, N.Mizutani: "HRTEM investigation of the 90° domain structure and ferroelectric properties of multi-layered PZT thin films"Microelectronic Engineering. 66. 708-712 (2003)