| 研究課題/領域番号 |
15K17711
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| 研究機関 | 北海道大学 |
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研究代表者 |
藤岡 正弥 北海道大学, 電子科学研究所, 助教 (40637740)
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| 研究期間 (年度) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| キーワード | ダイヤモンドアンビルセル / 電界効果 / 超伝導 |
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| 研究実績の概要 |
本研究は、電界効果型ダイヤモンドアンビルセルを開発することにより、高圧下でキャリア密度の変調を可能にし、これまで観測不可能であった領域の物性探索を行うものである。圧力の印加にはダイヤモンドアンビルセルを用いるため、ダイヤモンドのキュレット面に予め微細電極を形成する。さらに、イオン液体を圧媒体として利用する。これにより、圧力と同時に電圧を印加し、試料表面に電気二重層を形成することで、キャリア密度と圧力の同時制御を可能とする。また、ダイヤモンドにボロンをドーピングすることで電気抵抗率が劇的に減少することを利用し、電極形状に加工したボロンドープ領域を、ダイヤモンドキュレット面上に形成した。平成28年度はこのボロンドープ電極を用いて、30 GPa以上の圧力の印加に成功しており、圧力の変化に応じた系統的な鉛の超伝導転移温度の減少が確認された。本手法の確立により、従来試料への電極端子付けが極めて困難であったダイヤモンドアンビルセルの電気測定において、簡便にそのセットアップを行うことが可能となった。また、電界効果型ダイヤモンドアンビルセルに用いる試料については、超薄膜へと劈開可能で極めて良質な界面を有する単結晶試料が望ましく、大きな圧力を印加しても、破壊されない柔軟性を有する材料である必要がある。本年度はそれらの条件を満たす遷移金属ダイカルコゲナイド(TaS2)に着目し、その単結晶育成における条件を精査した。TaS2には、1Tや2H、3R、4Hbといった様々な構造の異なる結晶相が存在するが、それらを作り分け、良質な単結晶を合成することに成功した。
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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
電界効果によるキャリア変調を観測するためには、極めて平坦な試料界面が必要である。この界面上に電気二重層が形成され、キャリアが蓄積するため、試料としては、良質な界面が得られやすい、劈開可能な2次元層状物質の単結晶が最適である。また、高い圧力を印加した際に電極端子が押し付けられるため、端子によって生じる試料へのひずみを緩和する程度に柔軟性を有する単結晶材料であることも重要である。遷移金属ダイサルファイド（TaS2）はこれらの条件を満たす単結晶であり、特に1T構造を有するTaS2はバラエティに富んだ電荷密度波転移を示すことから、物理的にも注目されている物質である。TaS2は1T構造以外に、2Hや、3R、4Hbなどの様々な結晶相を有するが、詳細に合成条件を調査することで、極めて良質な1T-TaS2の合成に成功した。一方で、ダイヤモンドアンビルセルは、試料スペースが小さく、電極端子と試料の良好な接触をとることが極めて難しいデバイスである。さらに本研究で開発を進めている電界効果型ダイヤモンドアンビルセルでは、そのような小さな試料スペースに流動性のあるイオン液体を流し込むため、試料と電極端子間の接続がさらに不安定になり、電気測定を行うにあたり十分に良好な端子接続が得られにくい状況である。この良好な端子接続を実現するために、ダイヤモンドアンビルセルにおける様々な試料セットアップを検討しているところである。現状では、これらのセットアップに関してもある程度の知見が得られ、開発の目途がついているため、このように評価した。
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| 今後の研究の推進方策 |
本研究はイオン液体をダイヤモンドアンビルセルの圧媒体として用いることで、試料の圧力とキャリア密度の同時制御を行うことを目的とし、研究を推進している。しかしながら、流動性のあるイオン液体を試料スペースに導入するため、試料の固定および電極との接触を良好に保つことが非常に難しく、これについて様々なセットアップを考え、対応する必要がある。その一つとして、電極にはボロンドープダイヤのみではなく、シール状の電極パッドをガスケットの裏側から試料に押し当て、接着させることを検討している。平成29年度はこの手法を用いて、試料の固定及び良好な電極端子の接続が可能か調査する。シール状の電極パッドは金で形成されるため、試料との界面でつぶれて、より良好な接触が期待される。またシールには穴を空けておき、隙間からイオン液体が注入され、試料界面に広がると期待される。そのため、電気二重層の形成にも差支えないと考えられる。平成29年度は、特にこのような試料まわりのセットアップについて十分に検討し、電界効果型ダイヤモンドアンビルセルの開発を行う予定である。
また、測定する試料については、現在多様な電荷密度波転移を有する1T型の遷移金属ダイサルファイドTaS2を検討しているが、この物質には、2Hや、3R、4Hbといった様々結晶相が存在し、これらの異なる結晶相に電界効果型ダイヤモンドアンビルセルを適用することで、圧力とキャリア密度の制御による一連の物性変化を結晶相に応じて、系統的に調査することが可能である。これら方針を基に最終年度の研究を推進する。
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