粒界局在量子構造制御型単一粒界デバイスの作製

2004 年度 研究成果報告書概要

• 研究課題/領域番号: 15360363
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 構造・機能材料
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 山本 剛久 東京大学, 大学院・新領域創成科学研究科, 助教授 (20220478)
• 研究期間 (年度): 2003 – 2004
• キーワード: SrTiO_3 / 二重ショットキー障壁 / 粒界 / 双結晶 / 高分解能像 / 透過型電子顕微鏡 / 点欠陥 / 転位

研究概要

多くの電子セラミック多結晶体は、粒界に形成された静電ポテンシャル障壁(二重ショットキー障壁)に起因したPTCR特性、バリスタ特性などの特異な電気特性を示す。この障壁は、バンドギャップ中に形成された捕獲準位にキャリアとなる電子が捕獲されることにより形成されると考えられている。本研究では、単一粒界から構成される双結晶を作製し、その結晶粒界構造と粒界方位関係との相関性を系統的に調べ、二重ショットキー障壁形成のメカニズムを明らかにするとともに、顕著な電気特性を得ることのできる方位関係を突き止めることを目的とした。試料にはNb添加SrTiO3およびPrやCoを添加したZnO双結晶を用いた。傾角粒界においては傾角が数度の小傾角粒界を作製しその粒界構造を高分解能観察法により解析したところ、いずれの粒界もバーガースベクトルを[001]とする刃状転位から構成されることが見出された。その粒界転位密度は双結晶の傾角に依存し、傾角が増大するに従い粒界転位密度が増加すること、および、粒界電気特性で認められる電圧-電流特性における非線形指数が増大することが分かった。この関係をさらに詳細に調べたところ傾角成分がある角度において極めて顕著な特性が発現することを突き止めた。これは、粒界転位配列が転位コアエネルギーの影響でシフトタイプに変化しそのため粒界に高い応力場が形成されたことに起因するものと考えられる。一方、PrおよびCoの添加量を厳密に制御したZnO双結晶を作製したところ、粒界にアモルファスなどの第二層が存在しない状態で高い非線形特性が発現することが明らかとなった。本研究で得られた結果から単一粒界デバイス作製に関する設計指針が得られたものと考えられる。

研究成果

• [雑誌論文] A modern approach to control grain boundaries in ceramics (2004)
  • 著者名/発表者名: Taketo Sakuma 他
  • 雑誌名: MATERIALS SCIENCE FORUM 1-2 ページ: 467-470, 577-566
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Atomic structure of [0001]-tilt grain boundaries in ZnO : A high-resolution TEM study of fiber-textured thin films (2004)
  • 著者名/発表者名: Fumiyasu Oba 他
  • 雑誌名: PHYSICAL REVIEW B 70 ページ: 125415
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Electron holographic studies of irradiation damage in BaTiO3 (2004)
  • 著者名/発表者名: Takahisa Yamamoto 他
  • 雑誌名: NANOTECHNOLOGY 15 ページ: 1324-1327
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Non-linear current-voltage property across Sigma 5(210) symmetric tilt boundary in Nb-doped SrTiO3 bicrystal (2004)
  • 著者名/発表者名: Masaru Nishi 他
  • 雑誌名: MATERIALS TRANSACTIONS 45 ページ: 2112-2116
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Identification of native defects around grain boundary in Pr-doped ZnO bicrystal using electron energy loss spectroscopy and first-principles calculations (2004)
  • 著者名/発表者名: Yukio Sato 他
  • 雑誌名: JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 84 ページ: 5311-5313
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Grain boundary dependency of nonlinear current-voltage characteristics in Pr and Co doped ZnO bicrystals (2004)
  • 著者名/発表者名: Yukio Sato 他
  • 雑誌名: JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 95 ページ: 1258-1264
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] A modern approach to control grain boundaries in ceramics (2004)
  • 著者名/発表者名: T.Sakuma, Y.Ikuhara, T.Yamamoto
  • 雑誌名: Materials Science Forum, Part 1-2 467-470 ページ: 557-566
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Atomic structure of [0001]-tilt grain boundaries in ZnO : A high-resolution TEM study of fiber-textured thin films (2004)
  • 著者名/発表者名: F.Oba, H.Ohta, Y.Sato, H.Hosono, T.Yamamoto, Y.Ikuhara
  • 雑誌名: PHYSICAL REVIEW B 70-12 ページ: 125415
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Electron holographic studies of irradiation damage in BaTiO3 (2004)
  • 著者名/発表者名: T.Yamamoto, T.Hirayama, K.Fukunaga, Y.Ikuhara
  • 雑誌名: Nanotechnology 15-9 ページ: 1324-1327
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Non-linear current-voltage property across Sigma 5(210) symmetric tilt boundary in Nb-doped SrTiO3 bicrystal (2004)
  • 著者名/発表者名: M.Nishi, T.Tanaka, K.Matsunaga, Y.Ikuhara, T.Yamamoto
  • 雑誌名: MATERIALS TRANSACTIONS 45-7 ページ: 2112-2116
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Identification of native defects around grain boundary in Pr-doped ZnO bicrystal using electron energy loss spectroscopy and first-principles calculations (2004)
  • 著者名/発表者名: Y.Sato, T.Mizoguchi, F.Oba, M.Yodogawa, T.Yamamoto, Y.Ikuhara
  • 雑誌名: JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 84-26 ページ: 5311-5313
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Grain boundary dependency of nonlinear current-voltage characteristics in Pr and Co doped ZnO bicrystals (2004)
  • 著者名/発表者名: Y.Sato, F.Oba, M.Yodogawa, T.Yamamoto, Y.Ikuhara
  • 雑誌名: JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 95-3 ページ: 1258-1264
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より