三次元酸化物ナノ構造によるナノ電子相制御デバイスの創製

2018 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 17H01054
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 田中 秀和 大阪大学, 産業科学研究所, 教授 (80294130)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2020-03-31
• キーワード: 三次元ナノ構造 / 機能性酸化物 / ナノエレクトロニクス / 電子相転移 / 強相関電子系

研究実績の概要

電子相変化(金属―絶縁体相転移)を発現する機能性酸化物を対象とし、トップダウン・ボトムアップナノプロセス融合によりサブ10nmスケールの三次元ナノ構造 を構築し、相転移の始まり（スケーリングリミットの限界）とみられる10nm-数nm程度の極小の相転移単位（ナノ電子相）の物性計測を行う。ナノ電子相形成過程を人工ナノ構造により直接制御することにより、連続体物質とは異なる電子相変化(相転移)を見出すとともに、ナノ構造サイズ・形状と巨大物性応 答・新物性発現の相関を明らかにする。これに基づき、酸化物ナノエレクトロニクスにおけるイノベーションを創出し、酸化物ナノエレクトロニクスデバイス国 際ネットワーク構築を推進することを目的としている。 本年度は、●20nm幅のナノギャップ電極を有する酸化バナジウム（ＶＯ２）薄膜２端子デバイスを作製し、非常に急峻な（わずか0.01Kで相転移が完了する）相転 移スイッチングの観測に成功した。●加えて、FET動作において電界集中を実現する凸型チャネルを有するナノスケール（200nmチャネル長）VO2-構造の形成に成功した。●非常に薄くても良好な誘電性・絶縁性を示す２次元原子層物質であ る六方晶窒化ボロン（ｈＢＮ）とＶＯ２を融合した電界効果トランジスタの作製に成功し変調率１．２％を観測した。●ＶＯ２に加え、新たな電子相変化材料と して注目されるＳｍＮiO3をチャネル層としたイオン液体電界効果トランジスタを作製した。●ファンデアワールス結合を有する六方晶窒化ボロン上への、VO2薄膜の形成に成功し、良好な金属-絶縁体相転移を観測した。
●新たな電子相変化材料と して注目されるＳｍＮiO3をチャネル層としたイオン液体電界効果トランジスタを作製し、加えてNidNiO3ナノ細線構造において、50nm程度と推測されるナノ電子相の電気抵抗評価による検出に成功した。

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

各種FET構造（凸型、ハイブリッドゲート、ナノギャップ）の作成に成功しており、現在酸化物チャネルサイズは100 nmスケールに達している。さらにサケールダウンを行うことにより性能向上が見込まれる。

今後の研究の推進方策

３端デバイス（ＦＥＴ）におい ては、今年度、上述の各種材料を用いて動作検証に成功したことを受け、一層のナノ構造化に取り組む。加えて透過型電子顕微鏡を用いた原子レベル界面観察に 取組み、その制御の学理構築に取り組む

研究成果

• [国際共同研究] Purdue University(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: Purdue University
• [雑誌論文] Growth of vanadium dioxide thin films on hexagonal boron nitride flakes as transferrable substrates (2019)
  • 著者名/発表者名: S. Genchi, M. Yamamoto, K. Shigematsu, S. Aritomi, R. Nouchi, T. Kanki, K. Watanabe, T. Taniguchi, Y. Murakami and H. Tanaka
  • 雑誌名: Sci. Rep. 巻: 9 ページ: 02857(1-9)
  • DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-019-39091-8
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Single-step metal-insulator transition in thin film-based vanadium dioxide nanowires with a 20 nm electrode gap (2019)
  • 著者名/発表者名: Y. Tsuji, T. Kanki, Y. Murakami and H. Tanaka
  • 雑誌名: Appl. Phys. Exp. 巻: 12 ページ: 025003(1-4)
  • DOI: https://doi.org/10.7567/1882-0786/aafa9e
  • 査読あり
• [雑誌論文] Correlation between Ni Valence and Resistance Modulation on a SmNiO3 Chemical Transistor (2019)
  • 著者名/発表者名: D. Kawamoto, A. N. Hattori, M. Yamamoto, X. L. Tan, K. Hattori, H. Daimon, and H. Tanaka
  • 雑誌名: ACS Appl. Electron. Mater. 1 (2019) 82-87 巻: 1 ページ: 82-87
  • DOI: DOI: 10.1021/acsaelm.8b00028
  • 査読あり
• [雑誌論文] Gate-Tunable Thermal Metal-Insulator Transition in VO2 Monolithically Integrated into a WSe2 Field-Effect Transistors (2019)
  • 著者名/発表者名: M. Yamamoto, R. Nouch, T. Kanki, A. N. Hattori, K. Watanabe, T. Taniguchi, K. Ueno and H. Tanaka
  • 雑誌名: ACS Appl. Mater. and Inter. 巻: 11 ページ: 3224-323-(1-9)
  • DOI: DOI: 10.1021/acsami.8b18745
  • 査読あり
• [雑誌論文] Fabrication of the electric double layer transistor with (La,Pr,Ca)MnO3 nanowall wire channel (2018)
  • 著者名/発表者名: A.N. Hattori, H.Nakazawa, T.Nakamura and H.Tanaka
  • 雑誌名: Mod. Phys. Lett. B. 巻: 32 ページ: 1840058 (1-7)
  • DOI: https://doi.org/10.1142/S0217984918400584
  • 査読あり
• [雑誌論文] Morphology of phase-separated VO2 films deposited on TiO2(001) substrate (2018)
  • 著者名/発表者名: Y. Cho, S. Aritomi, T. Kanki, K. Kinoshita, N. Endo, Y. Kondo, D. Shindo, H. Tanaka, Y. Murakami
  • 雑誌名: Mater. Res. Bull. 102 巻: 102 ページ: 289-293
  • DOI: https://doi.org/10.1016/j.materresbull.2018.02.030
  • 査読あり
• [雑誌論文] Formation of single-crystal VO2 thin films on MgO(110) substrates using ultrathin TiO2 buffer layers (2018)
  • 著者名/発表者名: Y. Higuchi, T. Kanki, and H. Tanaka
  • 雑誌名: Appl. Phys. Exp. 巻: 11 ページ: 085503 (1-4)
  • DOI: https://doi.org/10.7567/APEX.11.085503
  • 査読あり
• [雑誌論文] Enhancement of electronic-transport switching in single-crystal narrower VO2 nanowire channels through side-gate electric fields (2018)
  • 著者名/発表者名: M. Chikanari, T. Kanki, T. Wei and H. Tanaka
  • 雑誌名: Appl. Phys. Lett. 巻: 113 ページ: 053102 (1-5)
  • DOI: https://doi.org/10.1063/1.5042674
  • 査読あり
• [雑誌論文] Strongly correlated perovskite lithium ion shuttles (2018)
  • 著者名/発表者名: Y. Sun, M. Kotiuga, D. Lim, B. Narayanan, M. Cherukara, Z. Zhang, Y. Dong, R. Kou, C.-J. Sun, Q. Lu, I. Waluyo, A. Hunt, H. Tanaka, A. N. Hattori, S. Gamage, Y. Abate, V. G. Pol, H. Zhou, S. K. R. S. Sankaranarayanan, B. Yildiz, K. M. Rabe and S. Ramanathan
  • 雑誌名: Proc. Natl. Acad. Sci. USA 115 (2018) 9672-9677 巻: 115 ページ: 9672-9677
  • DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.1805029115
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Beyond electrostatic modification: design and discovery of functional oxide phases via ionic-electronic doping (2018)
  • 著者名/発表者名: H.-T. Zhang, Z.Zhang, H. Zhou, H. Tanaka, D. D. Fong and S. Ramanathan
  • 雑誌名: Adv. Phys. X 巻: 4 ページ: 1523686(1-42)
  • DOI: https://doi.org/10.1080/23746149.2018.1523686
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] VO2: Applications of Electronic Phase Change Oxides -Current, Electrostatic, Electrochemical control- (2018)
  • 著者名/発表者名: Hidekazu Tanaka
  • 学会等名: 2018 Korean Physical Society, Spring Meeting
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] VO2: Applications of Electronic Phase Change Oxides (2018)
  • 著者名/発表者名: Hidekazu Tanaka
  • 学会等名: 2018 MRS Spring Meeting
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] VO2: Applications of Electronic Phase Change Oxides (2018)
  • 著者名/発表者名: Hidekazu Tanaka
  • 学会等名: ERTI seminar
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Basic and Applications of Electronic Phase Change Oxides (2018)
  • 著者名/発表者名: Hidekazu Tanaka, Mahito Yamamoto, Teruo Kanki, Azusa N. Hattori, Yuto Anzai
  • 学会等名: 7th imec Handai International Symposium
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 酸化物ナノ構造で変わり者電子を操る ~強相関電子デバイスの構築~ (2018)
  • 著者名/発表者名: 田中 秀和
  • 学会等名: 第3回極限ナノ造形・構造物性研究会 公開講演会
  • 招待講演
• [学会発表] 酸化物イオントロニクス (2018)
  • 著者名/発表者名: 田中 秀和、Yifei Sun, Zhen Zhang, Koushik Ramadoss, Fan Zao, Shriram Ramanathan
  • 学会等名: 「表面界面の機能創成とデバイス応用」セミナー
  • 招待講演
• [学会発表] イオントロニクスとPurdue滞在 (2018)
  • 著者名/発表者名: 田中 秀和
  • 学会等名: 土曜科学会
  • 招待講演
• [学会発表] Current activities on Nanotechnology at ISIR-Osaka University (2018)
  • 著者名/発表者名: Hidekazu Tanaka
  • 学会等名: Workshop on MICROACTUATORS
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Transistors Based on 2D Semiconductors/Dielectrics Contacted with the Phase-Change Oxides (2018)
  • 著者名/発表者名: Hidekazu Tanaka
  • 学会等名: E-MRS-J-MRS Joint symposium
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Transistors Based on the Phase-Change Oxides Contacted with 2D Layered Materials (2018)
  • 著者名/発表者名: Hidekazu Tanaka and Mahito Yamamoto
  • 学会等名: The 30th Symposium on Phase Change Oriented Science (PCOS 2018)
  • 招待講演
• [学会発表] Strain driven high-efficiency electronic-phase switching in freestanding transition metal oxide nano/microstructures (2018)
  • 著者名/発表者名: Hidekazu Tanaka1,2, Yoshiyuki Higuchi, Fumiya Enodo, Teruo Kanki , N. Manca, L. Pellegrino, D. Marre
  • 学会等名: CSRN-Osaka Annual Workshop 2018
  • 招待講演
• [学会発表] Control of electrical properties on strongly correlated oxides via ionic-electronic coupling (2018)
  • 著者名/発表者名: Hidekazu Tanaka, A.N. Hattori, T. Kanki, D. Kawamoto, K. Muraoka, K. Hattori, H. Daimon, S. Ramanathan
  • 学会等名: The 8th Indo-Japan Seminar “Designing Emergent Materials”
  • 国際学会 / 招待講演
• [備考] 田中研究室Home page
  • URL: https://www.sanken.osaka-u.ac.jp/labs/bis/