電気分極の電界効果により傾斜する酸化物強誘電体のバンド構造の研究

2021 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 19K05271
• 研究機関: 岡山大学
• 研究代表者: 狩野 旬 岡山大学, 自然科学学域, 准教授 (50375408)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2022-03-31
• キーワード: 強誘電体 / バンド構造 / 電気分極 / 角度分解硬X線光電子分光 / 半導体物性

研究実績の概要

近年，新規強誘電体デバイスとしてメモリや太陽電池が提案され，その動作原理がバンド傾斜構造を用いて解釈されている。バンド傾斜する方向は電気分極向きに対応するため，電子の能動的な移動が制御可能なシステムとなる。しかしながら，分極由来のバンド傾斜は未だ実証されていないため，デバイスの完全設計には至っていない。我々はこれまでに，強誘電体BaTiO3の内殻原子軌道が，電気分極由来の電界効果により物質深さ方向へエネルギーシフトすることを見出した。本研究では，分極向きが揃ったエピタキシャルな強誘電体酸化物薄膜をパルスレーザー堆積法により合成し，その試料に対し分極方向への深さスキャン可能な角度分解硬X線光電子分光実験によるバンド傾斜の直接観測を試みる。バンド傾斜観測に成功すれば，強誘電体の分極形成機構がバンド傾斜を特徴とする電子構造から解明でき，強誘電体中の特異な電子挙動を使ったメモリや太陽電池の精密設計が可能となる。
前年度までに申請書で計画した実験での成果が得られ，また論文投稿が済んでいた状態であった。今年度は，これらの成果を元に日本語での解説記事をまとめながら，新しい実験を行い論文投稿を行った。強誘電体の傾斜したバンド構造が明らかになったので，その半導体物性を徹底的に調査した。その結果，p型半導体物性を有する強誘電体をBa欠損させたBaTiO3により実現させ，そのバンド構造を解明した。また薄膜試料において酸素欠損させたBaTiO3の伝導特性を解明することができた。

研究成果

• [雑誌論文] High valence states of Pd supported on ferroelectric BaTiO₃ driven by electric polarization (2021)
  • 著者名/発表者名: Yoshida Tasuku、Kano Jun、Mizumaki Masaichiro、Tamenori Yusuke、Nitta Kiyofumi、Kato Kazuo、Hinokuma Satoshi、Oshime Norihiro、Hirose Satoshi、Mikami Hitoshi、Ikeda Naoshi、Fujii Tatsuo、Nishina Yuta、Okubo Tomoko
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 119 ページ: 092904～092904
  • DOI: 10.1063/5.0066289
  • 査読あり
• [雑誌論文] Skewing of electronic band along the direction of electric polarization in ferroelectrics (2021)
  • 著者名/発表者名: Jun Kano, Norihiro Oshime
  • 雑誌名: SPring-8/SACLA Research Frontiers 2020 巻: 2020 ページ: 58-59
  • 査読あり
• [雑誌論文] Single domain growth and charge ordering of epitaxial YbFe₂O₄ films (2021)
  • 著者名/発表者名: Sakagami Takumi、Ota Reika、Kano Jun、Ikeda Naoshi、Fujii Tatsuo
  • 雑誌名: CrystEngComm 巻: 23 ページ: 6163～6170
  • DOI: 10.1039/d1ce00834j
  • 査読あり
• [雑誌論文] Light reflectance and photoelectron yield spectroscopy enable acceptor level measurement in p-type Ba_1?<i>x</i>TiO₃ semiconductor (2021)
  • 著者名/発表者名: Fujii Saya、Kano Jun、Oshime Norihiro、Higuchi Tohru、Nishina Yuta、Fujii Tatsuo、Ikeda Naoshi、Ota Hiromi
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 129 ページ: 084105～084105
  • DOI: 10.1063/5.0033761
  • 査読あり
• [雑誌論文] Surface Electron?Ion Mixed Conduction of BaTiO_3?<i>_δ</i> Thin Film with Oxygen Vacancies (2021)
  • 著者名/発表者名: Takada Tomoasa、Fujita Takeshi、Imagawa Takehiro、Yamamoto Emi、Kano Jun、Shiga Daisuke、Horiba Koji、Kumigashira Hiroshi、Higuchi Tohru
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 90 ページ: 014707～014707
  • DOI: 10.7566/JPSJ.90.014707
  • 査読あり
• [雑誌論文] 強誘電体の電子構造─反電場効果により傾斜するバンド構造─ (2021)
  • 著者名/発表者名: 狩野 旬 , 押目 典宏 , 池永 英司 , 安井 伸太郎 , 日隈 聡士 , 保井 晃
  • 雑誌名: セラミックス 巻: 56 ページ: 463-466
  • 査読あり
• [雑誌論文] 強誘電体チタン酸バリウムの電気分極に誘起された バンド傾斜構造の観測 (2021)
  • 著者名/発表者名: 押目典宏 , 狩野旬
  • 雑誌名: 放射光 巻: 34 ページ: 225-234
  • 査読あり