電気二重層トランジスタ動作下の軟X線吸収分光による酸化物金属絶縁体転移機構の解明

2022 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 21K14541
• 研究機関: 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構
• 研究代表者: 北村 未歩 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 物質構造科学研究所, 助教 (00783581)
• 研究期間 (年度): 2021-04-01 – 2024-03-31
• キーワード: 軟X線吸収分光 / オペランド分光 / 電気二重層トランジスタ / 強相関酸化物 / 金属絶縁体転移

研究実績の概要

本研究では、転換可視蛍光収量法を用いた透過型軟X線吸収分光を用いて、電気二重層トランジスタ動作下でのキャリア蓄積領域の軟X線吸収分光を達成する。これにより、強相関Ni酸化物をチャネル層とし、イオン液体を用いた電気二重層トランジスタ構造における、キャリアドープによる金属絶縁体転移の変調メカニズムを電子状態の観点から明らかにすることを目的とする。
2021年度は、チャネル層とする薄膜そのものの転換可視蛍光収量法を用いた透過型軟X線吸収スペクトルの取得を試みた。具体的には、LaAlO3蛍光基板上にNdNiO3薄膜を作製し、転換可視蛍光収量法を用いた透過型軟X線吸収分光測定を行った。しかしながら、基板中のLaイオンの影響で目的のNiの吸収スペクトルを明瞭に得ることができなかった。そのため2022年度は、蛍光基板をLaイオンを含有しないものに選定し直し、その基板上で作製可能なNi酸化物であるSmNiO3薄膜を作製して転換可視蛍光収量法を用いた透過型軟X線吸収スペクトルの取得を試みた。その結果、基板の影響を抑えたNiの吸収スペクトルを得ることに成功し、温度依存の金属絶縁体転移に伴うNi吸収スペクトルの変化を観測できた。さらに、電気二重層トランジスタ構造に用いるイオン液体について検討を行い、イオン液体の下層の転換可視蛍光収量法を用いた透過型軟X線吸収スペクトルが取得可能なイオン液体の種類と塗布方法を決定した。来年度は、実際にイオン液体を用いた電気二重層トランジスタ構造を作製し、デバイス動作下でのスペクトル取得を試みる。

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

初年度にLaAlO3蛍光基板上にNdNiO3薄膜を作製し、転換可視蛍光収量法を用いた透過型軟X線吸収分光測定を行った。その結果、基板のLaイオンによる蛍光発光の影響が予想以上に大きく、評価したいNdNiO3薄膜中のNiイオンの吸収スペクトルがこれに埋もれてしまうことが明らかになった。そのため、この構造では目的を達成できないと判断し、Laイオンを含まない別の蛍光基板の探索を行って今後はYAlO3基板上にデバイス作製することに決定した。今年度は、YAlO3基板上に作製することができるNi酸化物としてSmNiO3を選択し、薄膜作製を行った。材料の変更により金属絶縁体転移温度が室温以上に上昇したため、冷却用クライオスタットの改造を行って、転換可視蛍光収量法による透過型軟X線吸収分光を用いて、温度依存の金属絶縁体転移に伴うNiイオンの吸収スペクトルの変化を観測することに成功した。さらに、電気二重層トランジスタ構造に使用するイオン液体選定を行った。酸化物薄膜上に複数種のイオン液体を塗布し、酸化物薄膜の転換可視蛍光収量法を用いた透過型軟X線吸収分光測定を行うことで、使用するイオン液体の種類と塗布方法を決定した。

今後の研究の推進方策

来年度は、今年度決定したYAlO3基板上にSmNiO3薄膜チャネル層の構造を作製し、金属電極をパターニングし、選定したイオン液体を塗布することで、電気二重層トランジスタ構造を作製する。作製した電気二重層トランジスタにゲート電圧を印加し、キャリアドープによるNi酸化物の金属絶縁体転移温度の変調を確認する。オペランド測定を行うために、X線吸収分光測定用のクライオスタットに対して、電圧印加の機構と電圧印加可能な試料ホルダーの作製を行う。これらを用いて、転換可視蛍光収量法を用いた透過型軟X線吸収分光による、電気二重層トランジスタ動作下でのキャリア蓄積領域の軟X線吸収分光を達成する。これにより、強相関Ni酸化物をチャネル層とし、イオン液体を用いた電気二重層トランジスタ構造における、キャリアドープによる金属絶縁体転移の変調メカニズムを電子状態の観点から明らかにする。

次年度使用額が生じた理由

今年度は新型コロナウイルスの影響で成果発表が基本的にオンラインとなり、さらにデバイス構造作製のための出張が叶わず、旅費が発生しなかった。来年度は、オンサイトでの成果発表 (特に国際学会) とデバイス作製のための出張を予定している。さらに、オペランド測定のための装置改造とホルダー作製を予定している。

研究成果

• [雑誌論文] Surface valence transition in SmS by alkali metal adsorption (2023)
  • 著者名/発表者名: Nakamura Takuto、Nakaya Toru、Ohtsubo Yoshiyuki、Sugihara Hiroki、Tanaka Kiyohisa、Yukawa Ryu、Kitamura Miho、Kumigashira Hiroshi、Imura Keiichiro、Suzuki Hiroyuki S.、Sato Noriaki K.、Kimura Shin-ichi
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 107 ページ: L041102(1)～(6)
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.107.L041102
  • 査読あり
• [雑誌論文] Electronic structure and anharmonic phonon mode in BaIr2Ge7 with two-dimensional Ba-Ge networks studied by photoemission spectroscopy (2023)
  • 著者名/発表者名: Ishida Tatsuhiro、Ootsuki Daiki、Ishida Shigeyuki、Kitamura Miho、Horiba Koji、Takagi Yasumasa、Yasui Akira、Ikenaga Eiji、Kawashima Kenji、Yanagi Yousuke、Iyo Akira、Eisaki Hiroshi、Yoshida Teppei
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 107 ページ: 045116(1)～(7)
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.107.045116
  • 査読あり
• [雑誌論文] Direct Imaging of Band Structure for Powdered Rhombohedral Boron Monosulfide by Microfocused ARPES (2023)
  • 著者名/発表者名: Sugawara Katsuaki、Kusaka Haruki、Kawakami Tappei、Yanagizawa Koki、Honma Asuka、Souma Seigo、Nakayama Kosuke、Miyakawa Masashi、Taniguchi Takashi、Kitamura Miho、Horiba Koji、Kumigashira Hiroshi、Takahashi Takashi、Orimo Shin-ichi、Toyoda Masayuki、Saito Susumu、Kondo Takahiro、Sato Takafumi
  • 雑誌名: Nano Letters 巻: 23 ページ: 1673～1679
  • DOI: 10.1021/acs.nanolett.2c04048
  • 査読あり
• [雑誌論文] Development of a versatile micro-focused angle-resolved photoemission spectroscopy system with Kirkpatrick-Baez mirror optics (2022)
  • 著者名/発表者名: Kitamura Miho、Souma Seigo、Honma Asuka、Wakabayashi Daisuke、Tanaka Hirokazu、Toyoshima Akio、Amemiya Kenta、Kawakami Tappei、Sugawara Katsuaki、Nakayama Kosuke、Yoshimatsu Kohei、Kumigashira Hiroshi、Sato Takafumi、Horiba Koji
  • 雑誌名: Review of Scientific Instruments 巻: 93 ページ: 033906～033906
  • DOI: 10.1063/5.0074393
  • 査読あり
• [雑誌論文] Surface proton conduction below 100 °C of Ce0.80Sm0.20O2－δ thin film with oxygen vacancies (2022)
  • 著者名/発表者名: Notake Go、Nishioka Daiki、Murasawa Hideaki、Takayanagi Makoto、Fukushima Yoshiaki、Ito Hiroki、Takada Tomoasa、Shiga Daisuke、Kitamura Miho、Kumigashira Hiroshi、Higuchi Tohru
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 61 ページ: SD1017～SD1017
  • DOI: 10.35848/1347-4065/ac4feb
  • 査読あり
• [雑誌論文] Intervalence charge transfer and charge transport in the spinel ferrite ferromagnetic semiconductor Ru-doped CoFe2O4 (2022)
  • 著者名/発表者名: Kobayashi Masaki、Seki Munetoshi、Suzuki Masahiro、Okano Ryo、Kitamura Miho、Horiba Koji、Kumigashira Hiroshi、Fujimori Atsushi、Tanaka Masaaki、Tabata Hitoshi
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 105 ページ: 205103(1)～(6)
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.105.205103
  • 査読あり
• [雑誌論文] Enhancement of transparency in epitaxially-grown p-type SnO films by surface-passivation treatment in a Na₂S aqueous solution (2022)
  • 著者名/発表者名: Uchida Suguri、Soma Takuto、Kitamura Miho、Kumigashira Hiroshi、Ohtomo Akira
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 61 ページ: 050903～050903
  • DOI: 10.35848/1347-4065/ac56fa
  • 査読あり
• [雑誌論文] Development of magnetism in Fe-doped magnetic semiconductors: Resonant photoemission and x-ray magnetic circular dichroism studies of (Ga,Fe)As (2022)
  • 著者名/発表者名: Takeda Takahito、Sakamoto Shoya、Anh Le Duc、Takeda Yukiharu、Fujimori Shin-ichi、Kitamura Miho、Horiba Koji、Kumigashira Hiroshi、Fujimori Atsushi、Tanaka Masaaki、Kobayashi Masaki
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 105 ページ: 195155(1)～(10)
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.105.195155
  • 査読あり
• [雑誌論文] Electronic band structure of Ti2O3 thin films studied by angle-resolved photoemission spectroscopy (2022)
  • 著者名/発表者名: Hasegawa Naoto、Yoshimatsu Kohei、Shiga Daisuke、Kanda Tatsuhiko、Miyazaki Satoru、Kitamura Miho、Horiba Koji、Kumigashira Hiroshi
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 105 ページ: 235137(1)～(8)
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.105.235137
  • 査読あり
• [雑誌論文] Rhombic Fermi surfaces in a ferromagnetic MnGa thin film with perpendicular magnetic anisotropy (2022)
  • 著者名/発表者名: Kobayashi M.、Khang N. H. D.、Takeda T.、Araki K.、Okano R.、Suzuki M.、Kuroda K.、Yaji K.、Sugawara K.、Souma S.、Nakayama K.、Yamauchi K.、Kitamura M.、Horiba K.、Fujimori A.、Sato T.、Shin S.、Tanaka M.、Hai P. N.
  • 雑誌名: Physical Review Materials 巻: 6 ページ: 074403(1)～(7)
  • DOI: 10.1103/PhysRevMaterials.6.074403
  • 査読あり
• [雑誌論文] Isotropic orbital magnetic moments in magnetically anisotropic SrRuO3 films (2022)
  • 著者名/発表者名: Wakabayashi Yuki K.、Kobayashi Masaki、Takeda Yukiharu、Kitamura Miho、Takeda Takahito、Okano Ryo、Krockenberger Yoshiharu、Taniyasu Yoshitaka、Yamamoto Hideki
  • 雑誌名: Physical Review Materials 巻: 6 ページ: 094402(1)～(8)
  • DOI: 10.1103/PhysRevMaterials.6.094402
  • 査読あり
• [雑誌論文] Polarity-dependent charge density wave in the kagome superconductor CsV3Sb5 (2022)
  • 著者名/発表者名: Kato Takemi、Li Yongkai、Nakayama Kosuke、Wang Zhiwei、Souma Seigo、Kitamura Miho、Horiba Koji、Kumigashira Hiroshi、Takahashi Takashi、Sato Takafumi
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 106 ページ: L121112(1)～(7)
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.106.L121112
  • 査読あり
• [雑誌論文] Giant spin-to-charge conversion at an all-epitaxial single-crystal-oxide Rashba interface with a strongly correlated metal interlayer (2022)
  • 著者名/発表者名: Kaneta-Takada Shingo、Kitamura Miho、Arai Shoma、Arai Takuma、Okano Ryo、Anh Le Duc、Endo Tatsuro、Horiba Koji、Kumigashira Hiroshi、Kobayashi Masaki、Seki Munetoshi、Tabata Hitoshi、Tanaka Masaaki、Ohya Shinobu
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 13 ページ: 5631(1)～(8)
  • DOI: 10.1038/s41467-022-33350-5
  • 査読あり
• [雑誌論文] Metallic Surface State in the Bulk Insulating Phase of Ca2－xSrxRuO4 (x = 0.06) Studied by Photoemission Spectroscopy (2022)
  • 著者名/発表者名: Ootsuki Daiki、Hishikawa Ayuko、Ishida Tatsuhiro、Shibata Daisuke、Takasuka Yukie、Kitamura Miho、Horiba Koji、Takagi Yasumasa、Yasui Akira、Sow Chanchal、Yonezawa Shingo、Maeno Yoshiteru、Yoshida Teppei
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 91 ページ: 114704(1)～(6)
  • DOI: 10.7566/JPSJ.91.114704
  • 査読あり
• [雑誌論文] Signature of topological band crossing in ferromagnetic Cr1/3NbSe2 epitaxial thin film (2022)
  • 著者名/発表者名: Saika Bruno Kenichi、Hamao Satoshi、Majima Yuki、Huang Xiang、Matsuoka Hideki、Yoshida Satoshi、Kitamura Miho、Sakano Masato、Hatanaka Tatsuto、Nomoto Takuya、Hirayama Motoaki、Horiba Koji、Kumigashira Hiroshi、Arita Ryotaro、Iwasa Yoshihiro、Nakano Masaki、Ishizaka Kyoko
  • 雑誌名: Physical Review Research 巻: 4 ページ: L042021(1)～(7)
  • DOI: 10.1103/PhysRevResearch.4.L042021
  • 査読あり
• [雑誌論文] Fermiology and Origin of Tc Enhancement in a Kagome Superconductor Cs(V1－xNbx)3Sb5 (2022)
  • 著者名/発表者名: Kato Takemi、Li Yongkai、Nakayama Kosuke、Wang Zhiwei、Souma Seigo、Matsui Fumihiko、Kitamura Miho、Horiba Koji、Kumigashira Hiroshi、Takahashi Takashi、Yao Yugui、Sato Takafumi
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 129 ページ: 206402(1)～(7)
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.206402
  • 査読あり
• [雑誌論文] Redox Reaction in Ti-Mn Redox Flow Battery Studied by X-ray Absorption Spectroscopy (2022)
  • 著者名/発表者名: Asakura Daisuke、Hosono Eiji、Kitamura Miho、Horiba Koji、Magome Eisuke、Setoyama Hiroyuki、Kobayashi Eiichi、Yuzawa Hayato、Ohigashi Takuji、Sakai Takaaki、Kanega Ryoichi、Funaki Takashi、Sato Yukari、Ohira Akihiro
  • 雑誌名: Chemistry-An Asian Journal 巻: 18 ページ: e202201047
  • DOI: 10.1002/asia.202201047
  • 査読あり
• [学会発表] KEK-PFにおけるビームライン横断的試料搬送システムの構築 (2023)
  • 著者名/発表者名: 北村未歩、簔原誠人、相浦義弘、間瀬一彦、小澤健一、雨宮健太
  • 学会等名: 第36回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
• [学会発表] PFにおけるビームライン横断的試料搬送システムの構築 (2023)
  • 著者名/発表者名: 北村未歩、簔原誠人、相浦義弘、間瀬一彦、小澤健一、雨宮健太
  • 学会等名: 2022年度量子ビームサイエンスフェスタ
• [学会発表] Micro-ARPES system at VUV beamline BL-28 of KEK-PF (2022)
  • 著者名/発表者名: Miho Kitamura, Seigo Souma, Asuka Honma, Daisuke Wakabayashi, Hirokazu Tanaka, Akio Toyoshima, Kenta Amemiya, Tappei Kawakami, Katsuaki Sugawara Kosuke Nakayama, Kohei Yoshimatsu, Hiroshi Kumigashira, Takafumi Sato, Koji Horiba
  • 学会等名: 14th International Conference on Synchrotron Radiation Instrumentation (SRI2021)
  • 国際学会
• [学会発表] Development of operando transmission soft x-ray absorption spectroscopy by x-ray excited optical luminescence (2022)
  • 著者名/発表者名: Miho Kitamura, Shigeru Kobayashi, Taro Hitosugi, and Koji Horiba
  • 学会等名: The 22nd International Vaccum Congress IVC-22
  • 国際学会
• [学会発表] 放射光軟X線分光によるペロブスカイト型遷移金属酸化物界面に発現する特異な強磁性の起源解明 (2022)
  • 著者名/発表者名: 北村未歩
  • 学会等名: 東北大学 金属材料研究所 量子ビーム材料解析セミナー「放射光を用いた磁性材料研究」
  • 招待講演
• [学会発表] 放射光軟X線分光で観る酸化物ヘテロ界面における電荷移動の空間分布 (2022)
  • 著者名/発表者名: 北村 未歩
  • 学会等名: 物質・デバイス領域共同研究拠点 キックオフシンポジウム ～クロスオーバーによるマテリアルイノベーション～
  • 招待講演
• [学会発表] KEK-PF BL-28A におけるマイクロ ARPES システムの開発 (2022)
  • 著者名/発表者名: 北村 未歩
  • 学会等名: 日本放射光学会 第14回若手研究会
  • 招待講演