| 研究課題/領域番号 |
16K06284
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| 研究機関 | 国立研究開発法人物質・材料研究機構 |
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研究代表者 |
長田 貴弘 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点, 主任研究員 (10421439)
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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 | 焦電性 / 強誘電体 / π電子 / 表面電荷 |
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| 研究実績の概要 |
本研究は、多機能強誘電体結晶（LiNbO3等）を基板とし、光/熱によりに変化する分極・表面電荷(焦電/光起電力効果と表面に誘起されるスクリーン電荷の効果を指す)が、基板上のπ電子系材料の電気特性に及ぼす影響を解明・制御することを目的とする。素子として、基板極性のパターン化および焦電/光起電力効果によるπ電子系材料の電気特性制御と電界効果型素子構造を有し、自立駆動可能なセンサー素子の動作確認も目的とする。
これまでの実績としては、LN基板に単層グラフェンを転写した試料の抵抗率の温度依存性を確認した。基板表面処理、電極構造の見直しにより、室温から400℃までの温度変化に対して二桁の抵抗率変化を実現している。また分極方向の異なる面において＋分極方向で高抵抗化と大きな抵抗変化が確認される。これはπ電子系材料/極性酸化物界面の電子状態評価の結果から、分極がπ電子の電子分布に影響を及ぼし＋極性面において電子が強く局在化することに対応すると考えられる。これに対して-極性面については界面の水分子の影響などを考慮する必要があり、分極と電気特性の相関については明らかにできていない。これらの結果の一部は現在、論文投稿を準備している。
さらに、現象を理解する対比実験としてグラフェン/LNと同類の系でπ電子半導体材料であるペンタセンと極性酸化物のZnOの界面についての検討を行った。ZnO上のペンタセンの成長条件を検討することでZnOの極性によらず二次元成長する条件を確認した。またこの電子状態を光電子分光法で確認したところ酸化物の分極状態によってペンタセンとの界面のバンドアライメント及び電子状態密度の変化を確認した。これらの結果は国際会議で口頭発表を行い、国際論文に掲載された。また、これらの結果はLNの結果と類似の結果であり、今後はホール効果と抵抗率変化を行うことで分極と導電性の相関について明らかにする。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
グラフェン/LN界面において、環境によってグラフェンの導電率が変化し、その傾向が分極方向と焦電性に関連していることは確認された。現状ではこの現象は、理論的に予想される分極方向の変化に関しては、＋極性面では説明できるが‐極性面では効果が小さく、分極方向から期待される効果とは異なり、＋極性と同じ高抵抗化が確認された。これは、-極性面では、表面電荷のスクリーニング効果が正チャージになるため、実際の効果が大気中の水分などによって相殺されるためと考えられる。つまりは、分極が直接グラフェンのキャリアに影響せずに、グラフェン/LN界面に存在する水などの吸着成分を介したダイポール効果などが影響していると考えられる。現状の評価は単純な抵抗率測定であるため、吸着成分を介した導電率、電子の分散の影響が考慮する必要がある。これらの影響を分離、評価するために、ホール測定を用いた導電率の温度依存性の測定を試みている。しかしながら実際の測定系においてコンタクト抵抗と測定プログラム制御部の問題解決に時間を要したためH28年度中のこれらの定量化の測定を完了することは実現しなかったが、比較対象の多層グラフェン/LN構造や半導体材料のペンタセンの成長に関しては条件が整いつつあるためH29年度の段階で遅れ分は解消されると考える。
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| 今後の研究の推進方策 |
当初の予定に対して若干の遅延はあるが、研究方針に関して変更はない。問題となっていた測定系の制御に関して解決のめどが立ち、試験測定を開始している。評価試料の作製は、必要数を確保している。H29年度は、酸化物の分極が酸化物上のπ電子材料の電気特性に及ぼす影響の定量化と、その機構についてモデルを構築することを最優先とする。この次に当初の計画にある以下の項目を実施する。
1）電界効果型素子でのチャネル層の導電性制御：これまでは基本的に通常状態で電流が流れるNormally ONの状態であった。これをNormally OFF状態も実現するために、導電性解析の結果を基にLN上の多層グラフェンと他のπ電子系材料を比較検討する。
2）電荷蓄積技術と融合した自立駆動型電界効果型素子の試作：表面電荷蓄積技術を使うことでチャネル層への電位勾配が環境エネルギー(最初は焦電性)によって生じる電界効果型素子の試作を試みる。
2）に関しては、研究機関内では簡単な動作が可能か素子構造の検討にとどまる予定である。
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