| 研究課題/領域番号 |
16K05409
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| 研究機関 | 立教大学 |
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研究代表者 |
枝元 一之 立教大学, 理学部, 教授 (80185123)
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| 研究期間 (年度) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| キーワード | バナジウム酸化物 / 薄膜 / 強相関 / 金属絶縁体転移 / 光電子分光 / X線吸収分光 |
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| 研究実績の概要 |
VOは、物性的に極めて興味深い物質であるにも関わらず、合成が困難であるためこれまでその電子状態や金属絶縁体転移(MIT)の有無について未解決の状態にあった。本研究は、VOと格子の整合性のよいAg(100)を基板として用いることによりVOの単結晶薄膜を合成し、その電子状態を解明することを目指したものである。
Ag(100)上に酸素雰囲気下でVを蒸着し、その後様々な条件で加熱処理することによりV酸化物の単結晶薄膜の合成を目指した。条件探査の結果、Ag(100)上には作成条件に応じて、(1×1)、六方晶、(4×1)の周期性を示す少なくとも3種類の単結晶薄膜が合成できることが分かった。このうち、六方晶薄膜についてては、光電子分光(PES)及びX線吸収分光(XAS)による解析の結果、V2O3薄膜と同定した。さらに、低速電子回折(LEED)の解析より、薄膜はコランダム型V2O3の(0001)薄膜であるとのモデルを得た。(1×1)薄膜についも、PES、XASによる解析を行い、その結果これをVO薄膜と同定した。さらに、LEEDの解析より、この薄膜はNaCl型VO結晶の(100)薄膜であるとのモデルを得た。(4×1)薄膜については、まだキャラクタリゼーションを行っていない。
VOの単結晶薄膜の合成に成功したので、その電子状態の解明を目指し、VO/Ag(100)に対してPESによる価電子状態の測定を行った。理論の予想通り、VOの価電子領域はV3dバンド（0-4 eV)とO2pバンド(4-10 eV)から成る。焦点となるフェルミ準位近傍の電子状態について精密測定を行い、その結果、VOは金属的電子状態を持つことが判明した。VOの電子状態については、これまでは理論研究が先行し、その電子状態が金属か絶縁体かが論争の的となっていた。本研究は、その論争に終止符を打つものと言える。
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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
本研究は、Ag(100)上にVOの単結晶薄膜を合成し、その電子状態を解明することを目指すものである。平成28年度において設定していた課題は、1. VO薄膜の合成条件の探査、2. VO薄膜の化学状態の評価、3. VO薄膜の電子状態の解明、であった。以下、これらについての研究結果について報告する。
1.については、条件探査の結果、3.7×10-9 Torrの低圧酸素雰囲気下でAg(100)上にバナジウム原子を電子ビーム蒸着源より蒸着し、その後超高真空下で450℃で30分間加熱することにより(1×1)LEEDパターンを示すVO(100)薄膜を合成できることを見出し、その合成条件を確定した。
2.については、XASにおけるV L端吸収ピークの解析より、薄膜中のVの酸化数が2.0であることを実証した。この場合、Vの3d準位には3個の電子が収容され、これらは高スピン状態を取ると予想される。この場合、XASにおけるO2p-V3d準位を終状態とするO K端吸収ピークは1本になると予想されるが、予想に反してこのピークは2本観測された。この点については、薄膜化による対称性の低下により、終状態の3d egサブバンドの縮退が解けたためと解釈している。
3.については、合成したVO(100)/Ag(100)薄膜の価電子状態の解明を目指して、放射光を用いたPES測定を実施した。、その結果、理論の予想通り、価電子領域の電子状態はV3dバンド（0-4 eV)とO2pバンド(4-10 eV)から成る事がわかった。焦点となるフェルミ準位近傍の電子状態について精密測定を行った。スペクトルの線形解析より得られたカットオフの位置は、VO/Ag(100)と電気的に接続したTaのスペクトルのカットオフと完全に一致した。これは、VO薄膜が金属的電子状態を持つことを実証するものである。
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| 今後の研究の推進方策 |
バナジウム酸化物（V2O5、VO2、V2O3など）の示すMITは一次相転移であり、転移点を境に構造、物性が大きく変化する。これらのMITのメカニズムを巡って、これまで膨大な量の研究が行われてきたが、今なおこれらは決着に至らず論争の的となっている。バナジウム酸化物の中でも、特にVOに関しては、MITのメカニズムはおろかその有無すら未知の状態にある。本研究により、VO(100)の単結晶薄膜の合成法が確立されたので、今後はそれを用いてMITの存在の解明を目指す。
本研究において、VO薄膜は室温において金属的電子状態を持つことが判明した。したがって、VOがMITを起こすとすれば、室温より低温側に転移点があるはずである。MITの有無を直接的に解明するため、液体Heにより冷却した条件でVO/Ag(100)のPES測定を行う。ここで金属的電子状態が観測されれば他のV酸化物と異なりVOにはMITが存在しない可能性が高い。一方半導体的電子状態が観測されれば、VOにはMITが存在するので温度依存PES測定よりその転移点を解明する。
これまでの研究で、薄膜の組成がVOであることは確定しているが、その構造についてはモデルの提案にとどまっている。今後、その電子状態、物性について理論的解析を行うためには、構造の解明が必須である。本研究で作成した超薄膜の構造を解明するには、表面敏感な構造解析法が必要である。そこで、最近開発された全反射高速陽電子回折(TRHEPD)測定を行うことにより、薄膜の構造決定を行う。陽電子には固体の内部ポテンシャルは斥力を与え、表面に入射すると臨界角以下では全反射され回折は表面のみで起こるため、TRHEPDはVO/Ag(100)の構造解析に最適である。
Nbにおいて、Vと同様monoxideが形成しうるかどうかは全く分かっていない。今後、NbOの作成についても、条件探査を行う。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
清浄表面作成用のイオン銃付属のArボンベの再充填を、2016年度末に行う予定であったが、予想以上にボンベに残量があったため再充填を次年度に行うこととした。このため、真空作成用の消費物（Cuガスケット）の購入は次年度に行うこととした。
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| 次年度使用額の使用計画 |
清浄表面作成用のイオン銃付属のArボンベが空になり次第、ボンベの再充填を行う。その際に、必要なCuガスケットを購入する。
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