10nm空間制御による強相関金属酸化物ナノ相分離起源解明への実験的アプローチ

2018 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 18H01871
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 服部 梓 大阪大学, 産業科学研究所, 助教 (80464238)
• 研究分担者: 山本 真人 大阪大学, 産業科学研究所, 助教 (00748717)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2021-03-31
• キーワード: ナノ電子相 / 強相関金属酸化物

研究実績の概要

強相関酸化物では、電子の集団的な振る舞い(電子相関)の結果できるナノ電子相の挙動が系全体の物性を決めている。ナノ電子相の最小サイズ(相転移の始まり)は10 nmスケールとみられる。申請者は、50-100 nmの空間制御により、強相関酸化物ではじめてナノ電子相の伝導特性の直接評価に成功し、ナノ電子相特性を明らかにしてきた。この独自法をさらに微小化させた1-10 nmの空間制御により、巨大な電子相応答を実験的に取得し、ナノ構造サイズ・形状と巨大応答性の相関を明らかにできる。
今年度は、金属-絶縁体転移を示す強相関酸化物ReNiO3(Re=Nd, Sm)を対象として、ナノ電子相サイズ以下の数十-100 nmサイズのナノ細線構造を作製し、その伝導特性を行った。線幅50 nmの単一NdNiO3ナノ細線は、階段状の抵抗変化を示した。これは薄膜等のマクロサイズ試料では示さない特性で、階段状の抵抗変化は細線中にナノ電子相が閉じ込められていること、すなわち電子相の閉じ込め効果に由来する。これは、ニッケル酸化物単一ナノ細線で初めてとなるマルチステップな抵抗変化、つまりナノ構造増感効果を観測したものである。ナノ電子相のサイズの定量的評価のため、ランダムレジスターネットワークを用いたシミュレーションを行ったところ、電子相の大きさは30-50 nmと見積もられた。以上のように、ニッケル酸化物でナノ相分離現象の存在を示し、ナノ電子相の伝導特性評価に初めて成功した。
また、2次元基板表面でのみ用いられてきた表面科学的手法を任意の方向に対して適応可能とし、あらゆる方向に存在する3次元表面に対し、原子層レベルで制御したナノ構造造形技術と立体表面構造の原子オーダー直接観察技術により、次世代の立体デバイス実現を可能とする技術要素の確立を達成した。

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

初年度の課題として挙げていた、3次元全方向が10 nm以下の微小空間領域をもつ試料作製は、実現した。基本となる3次元ナノ立体構造では、x方向、y方向、およびz方向サイズは、細線幅、電極間距離、細線高さに相当する。強相関金属酸化物の機能発現の最小単位である数十nmサイズの電子相を閉じ込めるため、3次元すべての方向：[細線の線幅]×[電極間距離]×[細線高さ]で10 nm以下を可能とするナノデバイス構造の作製技術を構築した。3次元ナノ構造体の作製には、3次元立体パターン化基板を用いる独自の方法を用いた。この手法ではパターン深さが細線高さに相当するので、z方向のサイズ制御は容易である。一方、細線幅はパターン化した基板の側面を起点としてエピタキシャル成長を行うことで、リソグラフィーでは到達できない精度でサイズ制御を行う。そのため、表面に加え側面構造の観察と制御が必要である。そこで、2次元基板表面でのみ用いられてきた表面科学的手法を、側面やファセット斜面を含むすべての3次元表面に対し適応し、立体表面構造の原子オーダー直接観察技術により、これまで不可能であった側面方向の原子レベル積層構造の評価と、サイズ制御を達成した。
これにより単一NdNiO3ナノ細線での伝導特性評価(初年度の課題)も達成し、スケーリング物性評価は完了しつつある。また、電界効果トランジスタ構造での、キャリア注入による相転移挙動の評価では予想外の結果が出たが、動作挙動の解明が終わり、ナノサイズ試料での測定という次のステップに進んでいる。

今後の研究の推進方策

SmNiO3 (SNO)をチャネル、イオン液体をゲート絶縁体としたトランジスタでは、予想と反して静電的な動作ではなく、SNOの酸化還元反応に由来した多段階不揮発的な抵抗変調が確認された。精密制御に必要なパラメーターの同定を行うことで、電圧印加条件V(Vg, T, t）の選択により1桁から4桁に及ぶワイドレンジで不揮発的な抵抗変調を精密に制御することに成功した。さらに、チャネルサイズ低減により、抵抗変調効率が向上(ゲート電圧の低減と変調速度の上昇)することが分かった。これは反応点が10-100 nmの領域で、電圧の印加によりチャネル全体に伝達していくことに起因すると考えており、実証に向けての研究を進めている。
さらに、3次元全方向が10 nm以下の微小空間領域をもつ試料作製が達成できているので、単一ナノ電子相での純粋な相転移特性評価が可能となってきている。この試料を用いて、温度、磁場、電界効果(キャリア注入)によるナノ電子相の発生・消滅過程のダイナミクスの観察を行い、機能最少発現塊での純粋な物性を抽出して、学理の構築に取り組んでいく。さらに、エネルギー移動カソードルミネッセンス走査型電子顕微鏡を用いて、相転移過程でのナノ電子相構造の観察に取り組んでいく。

研究成果

• [雑誌論文] Gate-Tunable Thermal Metal-Insulator Transition in VO2 Monolithically Integrated into a WSe2 Field-Effect Transistor (2019)
  • 著者名/発表者名: M. Yamamoto, R. Nouchi, T. Kanki, A. N. Hattori, K. Watanabe, T. Taniguchi, K. Ueno, H. Tanaka
  • 雑誌名: ACS Appl. Mater. Interfaces 巻: 11 ページ: 3224-323-1-9
  • DOI: 10.1021/acsami.8b18745
  • 査読あり
• [雑誌論文] Non-contact detection of nanoscale structures using optical nanofiber (2019)
  • 著者名/発表者名: H. Maruoka, Y. Oe, H. Takashima, A. N. Hattori, H. Tanaka, S. Takeuchi
  • 雑誌名: Opt. Express 巻: 27 ページ: 367-376
  • DOI: 10.1364/OE.27.000367
  • 査読あり
• [雑誌論文] Correlation between Ni valence and resistance modulation on SmNiO3 chemical transistor (2019)
  • 著者名/発表者名: D. Kawamoto, A. N. Hattori, M. Yamamoto, X. Tan, K. Hattori, H. Daimon, H. Tanaka
  • 雑誌名: ACS Appl. Electr. Mat. 巻: 1 ページ: 82-87
  • DOI: 10.1021/acsaelm.8b00028
  • 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, H. Tanaka
  • 雑誌名: Mod. Phys. Lett. B 巻: 32 ページ: 1840058-1-7
  • DOI: 10.1142/S0217984918400584
  • 査読あり
• [雑誌論文] Arrangement of self-assembled ZnO-NiO nanostructures using topographical templates towards oxide directed self-assembly (2018)
  • 著者名/発表者名: G. Tan, O. Nakagawara, A. N. Hattori, H. Tanaka
  • 雑誌名: AIP Advances 8 巻: 8 ページ: 115029-1-9
  • DOI: doi: 10.1063/1.5054862
  • 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. Sun, Q. Lu, I. Waluyo, A. Hunt, H. Tanaka, A. N. Hattori, S. Gamage, Y. Abbate, V. G. Pol, H. Zhou, S. Sankaranarayanan, B. Yildiz, K. M. Rabe, S. Ramanathan
  • 雑誌名: Proc. Natl. Acad. Sci. USA 巻: 115 ページ: 9672-9677
  • DOI: 10.1073/pnas.1805029115
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Electric transport properties for three-dimensional angular-interconnects of Au wires crossing facet edges of atomically-flat Si{111} surfaces (2018)
  • 著者名/発表者名: S. Takemoto, A. N. Hattori, K. Hattori, H. Tanaka, H. Daimon
  • 雑誌名: Jpn. J. Appl. Phys. 巻: 57 ページ: 085503-1-4
  • DOI: 10.7567/JJAP.57.090303
  • 査読あり
• [学会発表] Metal-insulator transition properties in the strongly electron correlated metal oxide nanowire structures (2019)
  • 著者名/発表者名: A. N. Hattori, T. Yamanaka, K. Hayashi, S. Tsubota, Y. Naitoh, H. Akinaga, H. Tanaka
  • 学会等名: The 8th Indo-Japan Seminar “Designing Emergent Materials”
• [学会発表] ナノ立体造形技術を用いた強相関金属酸化物ナノ電子相物性研究 (2019)
  • 著者名/発表者名: 服部梓
  • 学会等名: 第90回(平成30年度第4回)産研テクノサロン
  • 招待講演
• [学会発表] Purified Verwey Transition of Single Domain Fe3O4 Nanowire (2019)
  • 著者名/発表者名: R. Rakshit, A. N. Hattori, H. Tanaka
  • 学会等名: The 8th Indo-Japan Seminar “Designing Emergent Materials”
  • 国際学会
• [学会発表] Three-dimensional Nanoconfinement Supports Verwey Transition in Fe3O4 Nanowire at 10 nm length scale (2019)
  • 著者名/発表者名: R. Rakshit, A. N. Hattori, Y. Naitoh, H. Shima, H. Akinaga, H. Tanaka
  • 学会等名: Handai-Kansai-GiessenDai Joint Seminar on Materials Science and Engineering
  • 国際学会
• [学会発表] Fabrication of NdNiO3 film with controlled Ni/Nd ratio by PLD technique (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Yamanaka, A. N. Hattori, H. Tanaka
  • 学会等名: The 22nd SANKEN International Symposium
  • 国際学会
• [学会発表] NdNiO3ナノ細線の作製と電子相閉じ込め効果の観測 (2019)
  • 著者名/発表者名: 山中天志、服部梓、服部賢、大門寛、田中秀和
  • 学会等名: 第66回応用物理学会 春季学術講演会
• [学会発表] A discrete resistance change in the 3D nanostructured metal oxide due to the nano-confinement effect (2018)
  • 著者名/発表者名: A. N. Hattori and H. Tanaka
  • 学会等名: NanoWorld Conference
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Investigation of transport dynamics for the phase-separated nanodomains in strongly correlated manganite (2018)
  • 著者名/発表者名: A. N. Hattori, T. V. A. Ngyuen, M. Nagai, M. Ashida, H. Tanaka
  • 学会等名: International Nanophotonics and Nanoenergy Conference2018
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 原子レベル制御Si{111}ファセット端で 3次元立体接合した金の伝導特性評価 (2018)
  • 著者名/発表者名: 服部梓、竹本昌平、服部賢、大門寛、田中秀和
  • 学会等名: 2018年 第79回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] 3次元立体接合した原子レベル制御 Si{111}ファセット端での金の伝導特性 (2018)
  • 著者名/発表者名: 服部梓、竹本昌平、服部賢、大門寛、田中秀和
  • 学会等名: 第4回材料WEEK
• [学会発表] Creation of atomically-ordered surfaces on the three-dimensionally architected Si structure (2018)
  • 著者名/発表者名: A. N. Hattori, S. Takemoto, K. Hattori, H. Daimon, H. Tanaka
  • 学会等名: The 14th International Conference on Atomically Controlled Surfaces, Interfaces and Nanostructures
  • 国際学会
• [学会発表] A discrete resistance change for the spatial nano-confined electric domain in the strongly correlated metal oxides (2018)
  • 著者名/発表者名: A. N. Hattori and H. Tanaka
  • 学会等名: Nanotech-2018 (Nanotechnology and Material Science Congress)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 強相関電子系NdNiO3ナノ細線での 金属絶縁体転移特性 (2018)
  • 著者名/発表者名: 服部梓、林慶一郎、山中天志、川本大喜、田中秀和
  • 学会等名: 2018年日本表面真空学会学術講演会
• [学会発表] 3次元立体Si{111}7×7ファセット表面上での金の伝導特性 (2018)
  • 著者名/発表者名: 服部梓、竹本昌平、服部賢、大門寛、田中秀和
  • 学会等名: 2018年日本表面真空学会学術講演会
• [学会発表] Si(001)基板上のb-FeSi2(100)ナノカーペットのXRD解析による面内歪み分布評価 (2018)
  • 著者名/発表者名: 竹本昌平、楊昊宇、谷本慶、染田政明、服部賢、大門寛、服部梓、田中秀和
  • 学会等名: 第4回材料WEEK
• [学会発表] W-RHEED法によるマイクロパターンを施したSi表面の構造解析 (2018)
  • 著者名/発表者名: 中塚聡平、今泉太志、虻川匡司、服部梓、田中秀和
  • 学会等名: 2018年日本表面真空学会学術講演会
• [学会発表] SmNiO3-FETにおけるチャネルサイズ縮小による抵抗変調高効率化 (2018)
  • 著者名/発表者名: 川本大喜, 服部梓, 山本真人, 田中秀和
  • 学会等名: 第79回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] Correlation of Ni valence and resistance modulation on SmNiO3 chemical transistor (2018)
  • 著者名/発表者名: D. Kawamoto, A. N. Hattori, M. Yamamoto, H. Tanaka
  • 学会等名: The 14th International Conference on Atomically Controlled Surfaces, Interfaces and Nanostructures
  • 国際学会