トライフェーズエピタキシー法による酸化物単結晶薄膜の作製と新機能開発

2002 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 14350459
• 研究機関: 東京工業大学
• 研究代表者: 鯉沼 秀臣 東京工業大学, 応用セラミックス研究所, 教授 (70011187)
• 研究分担者: 知京 豊裕 (独)物質・材料研究機構, ナノマテリアル研究所, ディレクター (10354333) ; 伊高 健治 科学技術振興事業団, 研究員 ; 松本 祐司 東京工業大学, フロンティア創造共同研究センター, 助手 (60302981) ; 長谷川 哲也 東京工業大学, フロンティア創造共同研究センター, 助教授 (10189532)
• キーワード: Tri-Phaseエピタキシー / 高温超伝導 / フラックス / コンビナトリアルケミストリー / 単結晶薄膜 / 酸化物

研究概要

Tri-Phaseエピタキシー(TPE)法はバルク単結晶を作製する方法の一つであるフラックス法に基づいた薄膜作製技術である。この手法によって高温超伝導体NdBa_2Cu_3O_<7-d>(Nd123)の単結晶薄膜の作製に成功している。H14年度では、このTPE手法を、CaをドープしたNd123、強誘電体(Bi_4Ti_3O_<12>)の薄膜作製に応用した。さらに、3成分系のコンビナトリアル合成のシステムを新たに開発し、実験の高効率化を図った。
1、CaドープNdBa_2Cu_3O_<7-d>の単結晶薄膜の作製
PLD法によって、原料Nd_<1-x>Ca_xBa_2Cu_3O_<7-d>を気相供給し、基板上にあらかじめ堆積したBa-Cu-Oのフラックスを介してNd_<1-x>Ca_xBa_2Cu_3O_<7-d>薄膜(固相)を成長させた。得られた薄膜はTPE法によるNdBa_2Cu_3O_<7-d>薄膜と同様に原子レベルで平坦な表面を持つNd_<1-x>Ca_xBa_2Cu_3O_<7-d>の単結晶薄膜を作製することができた。Caの濃度は薄膜内で均一で、NdBa_2Cu_3O_<7-d>のドープ系にもTPE手法が有効であることが実証された。
2、Bi_4Ti_3O_<12>の単結晶薄膜の作製
TPE手法を用いて強誘電体Bi_4Ti_3O_<12>の薄膜を作製した。NdBa_2Cu_3O_<7-d>のTPE薄膜と同様にフラックスを介してBi_4Ti_3O_<12>を成長させる。コンビナトリアル手法によりフラックスとしてBiO_x-Bi_4Ti_3O_<12>2成分組成傾斜膜を作製し、フラックス組成の最適化を図った。その結果、Bi過剰Bi_4Ti_3O_<12>のフラックス組成で高品質な薄膜が得られた。薄膜の表面は原子レベルで平坦で、結晶構造の1/2ユニットに相当するステップが観察された。このように、高温超伝導体だけでなく、強誘電体Bi_4Ti_3O_<12>の薄膜の作製にもTPE手法が有効的であることが実証された。
3、3成分系コンビナトリアルシステムの開発
より低温で単結晶を作製するには、フラックス材料として自己フラックスだけでなく、しばしば不純物フラックスが用いられる。そこで薄膜法で新規フラックス材料の探索を高速かつ系統的に行うために、今までの2成分系から3成分系のコンビナトリアル合成が可能なシステムへと拡張した。
平成15年度では、この3成分系コンビナトリアル合成技術をフラックス探索へ応用し、新規フラックスの発見を目指す。また、このようにして、得られた高品質酸化物単結晶薄膜を用いた電界効果デバイスの試作を狙う。

研究成果

• [文献書誌] K.S.Yun, B.D.Choi, Y.Matsumoto, J.H.Song, N.Kanda, T.Itoh, M.Kawasaki, T.Chikyow, P.Ahmet, H.Koinuma: "Vapor-Liquid-Solid tri-phase pulsed-laser epitaxy of RBa_2Cu_3O_<7-y> single-crystal films"Applied Physics Letters. 80. 61-63 (2002)
• [文献書誌] K.S.Yun, B.D.Choi, J.H.Song, Y.Matsumoto, P.Ahmet, T.Chikyow, M.Kawasaki, H.Koi numa: "Growth of NdBa_2Cu_3O_<7-y> single crystal thin films by tri-phase epitaxy"Physica C. 378-381. 1202-1208 (2002)
• [文献書誌] 高橋竜太, K.S.Yun, 松本祐司, 川崎雅司, 知京豊裕, 鯉沼秀臣: "Tri-Phase Epitaxyによる高温超伝導、単結晶薄膜の作製"日本金属学会誌. 66・4. 284-288 (2002)