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2011 年度 実績報告書

強相関酸化物ナノエレクトロニクス構築に関する研究

研究課題

研究課題/領域番号 21676001
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)

キーワード遷移金属酸化物 / 酸化物エレクトロニクス / 強磁性ダイオード / 金属-絶縁体転移 / ナノドメイン / ナノ構造デバイス
研究概要

本研究では、強い電子相関により、高温での金属絶縁体転移、強磁性転移など新奇物性を示す遷移金属酸化物において、ナノサイズ超構造、及びナノヘテロ構造を作製し、物性発現の源である最小単位の強相関電子相をバイアス電圧・温度・光により制御できる技術・方法論を確立し強相関エレクトロニクスを創出することを目的とする。
■強磁性ダイオード:酸化物界面バンド工学と世界に先駆け構築した酸化物ナノ構造作製技術を駆使し、電界制御型素子としてFe_<2.1>Zn_<0.9>O_4ナノドット/Nb:SrTiO_3強磁性ダイオードを開発した。300mmサイズエピタキシャルナノドットダイオード構造において、バイアス電界での磁気抵抗効果のコントロールに成功し、その原因が同物質の高いスピン分極率に起因することを明らかにした。
■VO_2歪み薄膜における電界誘起超巨大絶縁体・金属相転移:従来報告されてきた薄膜材料と比較し、一桁低い低電圧、100倍の変化率を有する絶縁体-金属相転移スイッチングを発見した。加えてこの原因が、通常の100倍の大きさを有する金属相電子ドメインの発現によるものであることを発見した。また、VO_2にWをドーピングすることにより、強相関電子状態を制御し、動作温度および外場応答性を制御できることを明らかにした。
■極小サイズ(50nm以下)のナノデバイス形成に関して:パルスレーザ蒸着(PLD)法でテンプレート側面へ薄膜結晶を成長させることにより、装置分解に縛られず分子層レベルでナノ構造のサイズ(厚み)制御が可能な"3DナノテンプレートPLD法"を新たに考案した。これにより、透明酸化物半導体ZnO、強相関酸化物(Fe,Mn)_3O_4および(Fe,Zn)_3O_4において、いずれも従来の限界を超えた10~40nmサイズでの各種ナノ構造(細線・ドット・ボックス)の作製を実現した。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

ナノインプリント、3DナノテンプレートPLDなど、より高度に発達した極小ナノ構造デバイス形成法を確立し予想以上の進展を得ている。さらにVO_2の電子相ドメイン制御による外場応答性制御、(Fe,Zn)_3O_4ナノドットダイオードにおける高スピン偏極、(Fe,Mn)_3O_4ナノ狭窄磁気抵抗デバイスの磁気抵抗効果など、これまでのマクロスケールの薄膜デバイスでは得られないナノ制限空間における新奇物性を順調に得ることに成功している。新たに開発した極小ナノ構造デバイス形成法を、これまで報告してきた上記デバイスに適用することにより、一層優れた効果を得ることが出来ると判断される為。

今後の研究の推進方策

H23年度までに基本動作を達成した以下の代表的な二つの強相関酸化物デバイスにおいて、
■高温強磁性強相関(Fe,Zn)_3O_4薄膜ヘテロ接合デバイス:室温電界強磁性・磁気抵抗制御
■室温巨大金属絶縁体転移VO_2薄膜デバイス:電界制御金属・絶縁体相転移スイッチ
前年度までに確立した、独自の酸化物ナノ構造作成技術を用い、10nm-100nmサイズの極小ヘテロ構造デバイスを作製することにより、その外場応答率を10~100倍に向上、必要電界を1/10以下にする事を目指す。

  • 研究成果

    (30件)

すべて 2012 2011

すべて 雑誌論文 (11件) (うち査読あり 11件) 学会発表 (19件)

  • [雑誌論文] Metal-insulator transition with multiple micro-scale avalanches in VO_2 thin film on TiO_2 (001) substrates in press2012

    • 著者名/発表者名
      K.Kawatani
    • 雑誌名

      Appl.Phys.Lett.

      巻: (印刷中)

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Multistate Memory Devices based on Free-standing VO_2/TiO_2 Microstructures Driven by Joule Self-heating in press2012

    • 著者名/発表者名
      L.Pellegrino
    • 雑誌名

      Adv.Materials.

      巻: (印刷中)

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Identifying valence band structure of transient phase in VO_2 thin film by hard X-ray photoemission2011

    • 著者名/発表者名
      T.Kanki
    • 雑誌名

      Phys.Rev.B

      巻: 84 ページ: 085107

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Position-, Size-, and Shape-controlled highly crystalline ZnO nanostructures2011

    • 著者名/発表者名
      A.N.Hattori
    • 雑誌名

      Nanotechnology

      巻: 22 ページ: 415301

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Self-assembled growth of spinel (Fe,Zn)_3O_4-perovskite BiFeO_3 nano-composite structures using pulsed laser deposition2011

    • 著者名/発表者名
      T.Sakamoto
    • 雑誌名

      Jpn.J.Appl.Phys

      巻: 98 ページ: 133505

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Enhancement of Spin Polarization in a Transition Metal Oxide Ferromagnetic Nanodot Diode2011

    • 著者名/発表者名
      S.Yamanaka
    • 雑誌名

      Nano Letters

      巻: 11 ページ: 343-347

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Preparation of Ferroelectric Field Effect Transistor based on sustainable stolongly correlated (Fe,Zn)_3O_4 oxide semiconductor and their electrical transport properties2011

    • 著者名/発表者名
      J.Takaobushi
    • 雑誌名

      Appl.Phys.Lett.

      巻: 98 ページ: 102506

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Non-Destructive Estimation of Depletion Layer Profile in Nb-doped SrTiO_3/(La,Ba)MnO_3 n-p^+ Heterojunction Diode Structure by Hard X-ray Photoemission Spectroscopy2011

    • 著者名/発表者名
      H.Tanaka
    • 雑誌名

      Appl.Phys.Lett.

      巻: 98 ページ: 133505

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Extremely reduced hollow metal nanomasks for direct epitaxial growth of functional oxide nanostructures2011

    • 著者名/発表者名
      N.-G Cha
    • 雑誌名

      Nanotechnology

      巻: 22 ページ: 185306

    • 査読あり
  • [雑誌論文] High Temperature-Coefficient of Resistance at Room Temperature in W-doped VO_2 Thin Films on Al_2O_3 Substarte and Thier Thickness Dependence2011

    • 著者名/発表者名
      H.Takami
    • 雑誌名

      Jpn.J.Appl.Phys

      巻: 50 ページ: 055804(3)

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Observation of a tunneling magnetoresistance effect in magnetic tunneling junctions with a high resistance ferromagnetic oxide Fe_<2.5>Mn_<0.5>O_4 electrode2011

    • 著者名/発表者名
      E.Shikoh
    • 雑誌名

      Solid State Commun

      巻: 151 ページ: 1296

    • 査読あり
  • [学会発表] Fabrication of Multi-dimensional Oxide Nanostructures and its Physical Properties2012

    • 著者名/発表者名
      H.Tanaka
    • 学会等名
      2012 Materials Research Society (MRS) Spring Meeting, Tutorial
    • 発表場所
      サンフランシスコ(米国)(招待講演)
    • 年月日
      2012-04-09
  • [学会発表] エピタキシャル酸化物ナノ構造作製の為の3次元MgOナノパターン基板2012

    • 著者名/発表者名
      Y.Fujiwara
    • 学会等名
      2012年春季第59回応用物理学関係連合講演会シンポジウム【これからのスピントロニクスを担う材料の新展開】
    • 発表場所
      早稲田大学(東京)
    • 年月日
      2012-03-18
  • [学会発表] 3次元ナノテンプレートPLD法で作製した単一ZnOナノ構造からの高輝度発光2012

    • 著者名/発表者名
      A.N.Hattori
    • 学会等名
      2012年春季第59回応用物理学関係連合講演会シンポジウム【これからのスピントロニクスを担う材料の新展開】
    • 発表場所
      早稲田大学(東京)
    • 年月日
      2012-03-18
  • [学会発表] TiO_2(001)基板上のVO_2ワイヤーにおける金属-絶縁体ドメイン配列の次元性評価2012

    • 著者名/発表者名
      H.Takami
    • 学会等名
      2012年春季第59回応用物理学関係連合講演会シンポジウム【にれからのスピントロニクスを担う材料の新展開】
    • 発表場所
      早稲田大学(東京)
    • 年月日
      2012-03-17
  • [学会発表] 完全位置制御(Fe,Zn)_3O_4-BiFeO_3ナノピラーヘテロ構造の創製2012

    • 著者名/発表者名
      T.Kanki
    • 学会等名
      2012年春季第59回応用物理学関係連合講演会シンポジウム【これからのスピントロニクスを担う材料の新展開】
    • 発表場所
      早稲田大学(東京)
    • 年月日
      2012-03-16
  • [学会発表] TiO2(001)基板上のVO2薄膜における多値メモリ効果と金属-絶縁体ドメインの挙動観察2012

    • 著者名/発表者名
      T.Kanki
    • 学会等名
      2012年春季第59回応用物理学関係連合講演会シンポジウム【これからのスピントロニクスを担う材料の新展開】
    • 発表場所
      早稲田大学(東京)
    • 年月日
      2012-03-16
  • [学会発表] 強磁性Fe/絶縁性LaSrFeO_4自己集合ナノ構造の成長位置制御2012

    • 著者名/発表者名
      K.Okada
    • 学会等名
      2012年春季第59回応用物理学関係連合講演会シンポジウム【これからのスピントロニクスを担う材料の新展開】
    • 発表場所
      早稲田大学(東京)
    • 年月日
      2012-03-16
  • [学会発表] LuFe_2O_4エピタキシャル薄膜の電界誘起抵抗スイッチング2012

    • 著者名/発表者名
      Y.Fujiwara
    • 学会等名
      2012年春季第59回応用物理学関係連合講演会シンポジウム【これからのスピントロニクスを担う材料の新展開】
    • 発表場所
      早稲田大学(東京)
    • 年月日
      2012-03-16
  • [学会発表] 酸化物ナノ構造スピントロニクス2012

    • 著者名/発表者名
      H.Tanaka
    • 学会等名
      2012年春季第59回応用物理学関係連合講演会シンポジウム【これからのスピントロニクスを担う材料の新展開】
    • 発表場所
      早稲田大学(東京)(招待講演)
    • 年月日
      2012-03-15
  • [学会発表] 酸化物ナノ構造形成プロセス2012

    • 著者名/発表者名
      H.Tanaka
    • 学会等名
      2012年春季第50回応用物理学関係連合講演会スクール機能性酸化物入門~理論、加工・計測技術、応用
    • 発表場所
      早稲田大学(東京)(招待講演)
    • 年月日
      2012-03-15
  • [学会発表] Nano scale template deposition for preparation of functional oxide nano-wire, nano-box, and nano-dot materials2011

    • 著者名/発表者名
      H.Tanaka
    • 学会等名
      2011Materials Research Society (MRS) Fall Meeting
    • 発表場所
      京都テルサ(京都)
    • 年月日
      2011-11-29
  • [学会発表] Control of self-assembled nano-scale electron domains in high quality VO_2 thin films and application for nano-oxide device2011

    • 著者名/発表者名
      H.Tanaka
    • 学会等名
      The 15th International Conference on Thin Films (ICTF-15)
    • 発表場所
      Boston(米国)
    • 年月日
      2011-11-09
  • [学会発表] Multi Dimensional Oxide Nano Heterostructures for Spintronics Application2011

    • 著者名/発表者名
      H.Tanaka
    • 学会等名
      BIT's 1st Annual World Congress of Nano-S&T
    • 発表場所
      大連(中国)(招待講演)
    • 年月日
      2011-10-26
  • [学会発表] SPM-based novel nanofabrication for oxides-Total control of Oxide Nanostructures2011

    • 著者名/発表者名
      H.Tanaka
    • 学会等名
      The Korean Physical Society (KPS) Fall meeting
    • 発表場所
      釜山(韓国)(招待講演)
    • 年月日
      2011-10-20
  • [学会発表] Multi-dimensional Nanostructured Oxide Devices2011

    • 著者名/発表者名
      H.Tanaka
    • 学会等名
      2011 International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM 2011)
    • 発表場所
      WINC AICHI(名古屋)(招待講演)
    • 年月日
      2011-09-28
  • [学会発表] Modulation of Metal-Insulator Transition Temperature in W-doped VO_2 Thin Films : Toward Mott devices2011

    • 著者名/発表者名
      H.Takami
    • 学会等名
      The 19th Annual International Conference on Composites or Nano Engineering (ICCE-19)
    • 発表場所
      上海(中国)(招待講演)
    • 年月日
      2011-07-28
  • [学会発表] Observation of Local Electrochemical Phase Change in Resistive Switching Devices2011

    • 著者名/発表者名
      K.Fujiwara
    • 学会等名
      The 19th Annual International Conference on Composites or Nano Engineering (ICCE-19)
    • 発表場所
      上海(中国)(招待講演)
    • 年月日
      2011-07-25
  • [学会発表] Surface Nanopatterning for Spintronics2011

    • 著者名/発表者名
      H.Tanaka
    • 学会等名
      The Manufacturing at the Nanoscale ; Overcoming Barriers to Commercialization Symposium (The Nanotech Conference and Expo 2011)
    • 発表場所
      Boston(米国)(招待講演)
    • 年月日
      2011-06-16
  • [学会発表] Integrated Nano-Template for Oxide Nano-Electronics2011

    • 著者名/発表者名
      H.Tanaka
    • 学会等名
      The 6th International symposium on Integrated Molecular/Materials Engineering (ISIMME-6)
    • 発表場所
      北京(中国)(招待講演)
    • 年月日
      2011-06-09

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公開日: 2013-06-26  

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