| 研究課題/領域番号 |
20H02704
|
|---|
| 研究機関 | 東北大学 |
|---|
研究代表者 |
岡 大地 東北大学, 理学研究科, 助教 (20756514)
|
|---|
| 研究期間 (年度) |
2020-04-01 – 2024-03-31
|
| キーワード | アンダーソン局在 / 金属絶縁体転移 / 酸化物 / 酸窒化物 / エピタキシー / 二核錯体 |
|---|
| 研究実績の概要 |
本年度は5族遷移金属元素および希土類金属元素を含むd1電子配置の酸化物・酸窒化物のエピタキシャル合成と電気特性の評価をおこなった。なかでも、ニオブ系酸化物はフェルミ液体挙動を伴う高い電気伝導性を示すのに対し、窒素の導入により絶縁体へと相転移した。伝導電子の減少に伴い金属絶縁体転移の境界近傍の組成において極低温の抵抗率の急峻な増加が観察された。詳細な解析の結果、本物質で観察された金属絶縁体転移が電子間相互作用ではなく窒素配置のランダムネスに由来するアンダーソン局在であることを解明した。さらに、局在によって誘起された巨大磁気抵抗効果が観察され、その異方性は強いランダムネスにもかかわらず結晶場により分裂した軌道の対称性を明確に反映していることが第一原理計算によって示された。以上の結果から、電気伝導をになうカチオンサイトの組成制御だけでなく、アニオンサイトの配列によって金属絶縁体転移を制御できる可能性を見出した。
また、本研究で必要とする緻密な組成制御のために、従来の真空合成プロセスに加えて溶液プロセスによる多元系酸化物の合成手法開発に取り組んだ。ペロブスカイト型酸化物チタン酸ストロンチウムをモデルケースとして、分子レベルで規定された組成を持つ二核錯体を合成した。得られた錯体は大気安定であり、熱分解することで単相のチタン酸ストロンチウムの合成に成功した。元素ドーピングによる電気伝導性の制御や、エピタキシャル薄膜の合成に適用できることも実証した。今後、より多様な組成の酸化物の合成に拡張できると期待される。本成果に関する論文は、Inorganic Chemistry誌に掲載され、Featured Articleに選出された。
|
| 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
現在までに5族遷移金属元素および希土類金属元素を含む広範な組成の酸化物および酸窒化物エピタキシャル薄膜の合成し、化学組成や次元性といったパラメータの変化によって誘起される多様な金属絶縁体転移現象の観察に成功している。さらに、当初計画よりも広い範囲で組成制御できることがわかってきたため、6族遷移金属元素や白金族元素の酸化物においても同様に電気伝導性を決定づけるパラメータの探索を進めている。とくに、計画段階では予想していなかったパラメータの制御も可能になっており、より広範囲の金属絶縁体相図を作成できる見込みである。たとえば、白金族酸化物の一種であり、近年超伝導性が報告された酸化ルテニウムにおいて従来手法を大きく上回る構造歪みの印加に成功したため、3次元結晶構造における構造歪みが電気伝導性に与える影響を調査している。また、次元性の制御によって金属絶縁体転移を観察した層状ペロブスカイト型バナジウム酸化物では、バルクでの固溶限界を超える元素ドーピングによって高濃度の電子ドーピングに成功した。電子状態の大きな変化が電気伝導へ与える影響を調べるために、磁気抵抗効果の異方性を用いた次元性の観察実験を進めている。
|
| 今後の研究の推進方策 |
昨年度に引き続き、軌道分布、不規則性、次元性を3軸とする金属・絶縁体相図の完成を目指して電気伝導性酸化物・酸窒化物のエピタキシャル合成と電気特性評価を進める。5族遷移金属バナジウムにおいて確立した層状ペロブスカイト型酸化物エピタキシャル薄膜の合成技術を活用してドーピングによるフィリング制御や、d2電子配置を取るCrなどの層状化合物を合成する。また、これまでの研究によりアニオンサイトの不規則性がアンダーソン局在を誘起する効果があることが実証されたため、成膜後の熱的・電気化学的処理によるアニオンサイトの組成制御技術の開発に取り組む。薄膜の電子相は抵抗率・キャリア移動度・キャリア密度などの電気特性の温度依存性により評価し、電気伝導性に対する局在効果の寄与を定量的に評価する。特に、局在現象と超伝導状態が競合する極低温領域での電気測定を進める。さらに磁気抵抗を用いた異方性の評価によって各化合物における軌道分布状態を推定する。
また、原料の工夫により溶液プロセスでも高品質な複合カチオン酸化物薄膜を合成できることを見出したため、より多様な組成を持つ前駆体分子の合成およびプロセスの改良に取り組む。たとえば、これまでに利用したドロップキャスト法に対して厳密に膜厚制御の可能なミスト化学気相成長法への適用を検討する。さらに、アニオン源をカチオン源と同時かつ独立に供給するシステムを構築し、アニオン組成の制御にも取り組む。
|
