酸化物二重量子井戸構造の共鳴トンネル現象を用いた新原理モットトランジスタ

2023 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 22H01948
• 配分区分: 補助金
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 組頭 広志 東北大学, 多元物質科学研究所, 教授 (00345092)
• 研究期間 (年度): 2022-04-01 – 2025-03-31
• キーワード: 量子井戸構造 / 角度分解光電子分光 / 強相関電子系 / 酸化物薄膜 / 機能性ナノ構造 / バンド構造 / 放射光 / 酸化物エレクトロニクス

研究実績の概要

本研究の目的は、二重量子井戸間の共鳴トンネル現象を利用した新原理のモットトランジスタを創製することにある。具体的には、量子準位間の共鳴トンネルを利用してモット転移層における金属・絶縁体転移（On/Off動作）を制御するという新たな動作原理を提案し、その実現を目指している。本年度は、オペラントμ角度分解光電子分光（ARPES）立ち上げを進めつつ、強相関波動関数エンジニアリングに基づいた新しい原理のモットトランジスタの設計に必要となる実験を行い、下記の成果を得た。

１）モット転移量子井戸層物質として、組成xにより金属（SrVO3：x = 1）からモット絶縁体（LaVO3：x = 0）まで変化させることができるLa1-xSrxVO3を検討した。ARPESによる測定の結果、x = 0.5辺りで組成依存の金属・絶縁体転移を示す事が明らかになった。このことから、La1-xSrxVO3はモット転移量子井戸層として有力な候補物質であると結論づけた。
２）4d系SrNbO3は、3d系に比べて長いλをもつため、金属量子井戸層の候補物質として期待される。この応用可能性を検討するため、SrNbO3とバリア層SrTiO3との界面電子状態を、元素選択性をもつ共鳴光電子分光により調べた。その結果、SrTiO3界面側に金属状態が形成されていることが明らかになった。詳細な理論解析により、この金属化は界面電荷移動によって生じていることを明らかにした。また、この電荷移動がO 2p準位と遷移金属イオンd準位間のエネルギー差の大小で予測できることを突き止め、界面電荷移動の制御方針を確立した。
３）極性酸化物層を導入した二重量子井戸の構造・作製条件を見直したところ、上部量子井戸において内部電界印加誘起の金属・絶縁体が生じている可能性を見出した。

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

縮小光学系を導入した「マイクロRPES装置」は順調に稼働しており、ほぼ設計通りのマイクロスポット（10x15マイクロm2）でのARPES実験ができるようになっている。また、オペラント測定のための電圧印加ホルダーの設計も終了した。放射光施設における装置のため、電圧印加ホルダーの導入および最終的な動作確認を行うための機会を調整している最中である。

一方で、既存の装置を用いた、モットトランジスタ構造を設計するための電子論的パラメータ（１．量子井戸層のポテンシャル深さと量子化準位、2. 強相関電子のバリア層内におけるトンネルコヒーレンス長、３バリア層への最適な印加電圧）の決定については、当初の予定通り進捗している。

今後の研究の推進方策

縮小光学系を導入した「μARPES装置」は、ほぼ立ち上げが終了し、ほぼ設計値値通りのμスポットサイズでARPES測定が出来るようになった。また、ARPES像の空間分布を得るためのプログラム等の整備も進み、μスポット（10x15μm2）でデバイス上を操作しながら任意の点で測定が可能になっている。そのため、今後はこのマイクロARPES装置に電圧印加ホルダーを導入して、デバイス動作時の量子化状態を可視化することのできるオペラントμARPES装置へと進化させていく。それと同時並行して、共鳴トンネル誘起モットトランジスタの構造設計・原理検証のために、既存の装置を用いた研究を進めていく。

研究成果

• [国際共同研究] Paris-Saclay University/Synchrotron SOLEIL(フランス)
  • 国名: フランス
  • 外国機関名: Paris-Saclay University/Synchrotron SOLEIL
• [雑誌論文] Temperature-induced structural and electronic phase transitions in λ-phase Ti3O5 (2024)
  • 著者名/発表者名: Yoshimatsu K.、Nakao H.、Kumigashira H.
  • 雑誌名: Physical Review Materials 巻: 8 ページ: 035002[1-9]
  • DOI: 10.1103/PhysRevMaterials.8.035002
  • 査読あり
• [雑誌論文] Peculiar magnetotransport properties in epitaxially stabilized orthorhombic Ru3+ perovskite LaRuO3 and NdRuO3 (2024)
  • 著者名/発表者名: Zhang Lingfei、Fujita Takahiro C.、Masutake Yuuki、Kawamura Minoru、Arima Taka-hisa、Kumigashira Hiroshi、Tokunaga Masashi、Kawasaki Masashi
  • 雑誌名: Communications Materials 巻: 5 ページ: 35[1-8]
  • DOI: 10.1038/s43246-024-00470-y
  • 査読あり
• [雑誌論文] Unveiling the orbital-selective electronic band reconstruction through the structural phase transition in TaTe2 (2024)
  • 著者名/発表者名: Mitsuishi Natsuki、Sugita Yusuke、Akiba Tomoki、Takahashi Yuki、Sakano Masato、Horiba Koji、Kumigashira Hiroshi、Takahashi Hidefumi、Ishiwata Shintaro、Motome Yukitoshi、Ishizaka Kyoko
  • 雑誌名: Physical Review Research 巻: 6 ページ: 013155[1-17]
  • DOI: 10.1103/PhysRevResearch.6.013155
  • 査読あり
• [雑誌論文] Electronic Properties of Chiral IrGe4 Studied by Angle Resolved Photoemission Spectroscopy and Band Structure Calculation (2024)
  • 著者名/発表者名: Hayashi Genki、Shimaiwa Taiki、Okawa Mario、Nakamura Naoki、Higashinaka Ryuji、Matsuda Tatsuma D.、Aoki Yuji、Kitamura Miho、Shiga Daisuke、Kumigashira Hiroshi、Kopciuszynski Marek、Barinov Alexey、Saini Naurang. L.、Mizokawa Takashi
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 93 ページ: 014702[1-6]
  • DOI: 10.7566/JPSJ.93.014702
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Quantization condition of strongly correlated electrons in oxide nanostructures (2023)
  • 著者名/発表者名: Kanda Tatsuhiko、Shiga Daisuke、Wada Asato、Hayasaka Ryotaro、Masutake Yuuki、Hasegawa Naoto、Kitamura Miho、Yoshimatsu Kohei、Kumigashira Hiroshi
  • 雑誌名: Communications Materials 巻: 4 ページ: 1038[1-6]
  • DOI: 10.1038/s43246-023-00354-7
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Electronic phase diagram of Cr-doped VO2 epitaxial films studied by in situ photoemission spectroscopy (2023)
  • 著者名/発表者名: Shiga D.、Cheng X.、Kim T. T.、Kanda T.、Hasegawa N.、Kitamura M.、Yoshimatsu K.、Kumigashira H.
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 108 ページ: 045112[1-9]
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.108.045112
  • 査読あり
• [雑誌論文] Thickness-dependent magnetotransport properties of rocksalt NdO epitaxial thin films: observation of a ferromagnetic phase far above the Curie temperature (2023)
  • 著者名/発表者名: Saito Daichi、Oka Daichi、Kaminaga Kenichi、Kitamura Miho、Shiga Daisuke、Kumigashira Hiroshi、Fukumura Tomoteru
  • 雑誌名: Journal of Materials Chemistry C 巻: 11 ページ: 12400～12405
  • DOI: 10.1039/d3tc02478d
  • 査読あり
• [雑誌論文] Quantitative measurement of structural fluctuation at LaNiO3/LaAlO3 interfaces (2023)
  • 著者名/発表者名: Nagai Kazuki、Anada Masato、Kowa Kazuhiro、Kitamura Miho、Kumigashira Hiroshi、Tajiri Hiroo、Wakabayashi Yusuke
  • 雑誌名: Physical Review Materials 巻: 7 ページ: 043604[1-9]
  • DOI: 10.1103/PhysRevMaterials.7.043604
  • 査読あり
• [雑誌論文] Novel supercell compounds of layered Bi-Rh-O with p-type metallic conduction materialized as a thin film form (2023)
  • 著者名/発表者名: Ohno M.、Fujita T. C.、Masutake Y.、Kumigashira H.、Kawasaki M.
  • 雑誌名: APL Materials 巻: 11 ページ: 051107[1-5]
  • DOI: 10.1063/5.0147646
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Oxygen on-site Coulomb energy in Pr1.3－xLa0.7CexCuO4 and Bi2Sr2CaCu2O8+δ and its relation with Heisenberg exchange (2023)
  • 著者名/発表者名: Chainani A.、Horio M.、Cheng C.-M.、Malterre D.、Sheshadri K.、Kobayashi M.、Horiba K.、Kumigashira H.、Mizokawa T.、Oura M.、Taguchi M.、Mori Y.、Takahashi A.、Konno T.、Ohgi T.、Sato H.、Adachi T.、Koike Y.、Mochiku T.、Hirata K.、Shin S.、Wu M. K.、Fujimori A.
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 107 ページ: 195152[1-12]
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.107.195152
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Large Perpendicular Magnetic Anisotropy Induced by an Intersite Charge Transfer in Strained EuVO2H Films (2023)
  • 著者名/発表者名: M.Namba, H.Takatsu, R.Mikita, Y.Sijia, K.Murayama, H.Li, R.Terada, C.Tassel, H.Ubukata, M.Ochi, R.Saez-Puche, E.P.Latasa, N.Ishimatsu, D.Shiga, H.Kumigashira, K.Kinjo, S.Kitagawa, K.Ishida, T.Terashima, K.Fujita, T.Mashiko, K.Yanagisawa, K.Kimoto, and H.Kageyama
  • 雑誌名: Journal of the American Chemical Society 巻: 145 ページ: 21807～21816
  • DOI: 10.1021/jacs.3c04521
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Inverse-Perovskite Ba3BO (B = Si and Ge) as a High Performance Environmentally Benign Thermoelectric Material with Low Lattice Thermal Conductivity (2023)
  • 著者名/発表者名: He Xinyi、Kimura Shigeru、Katase Takayoshi、Tadano Terumasa、Matsuishi Satoru、Minohara Makoto、Hiramatsu Hidenori、Kumigashira Hiroshi、Hosono Hideo、Kamiya Toshio
  • 雑誌名: Advanced Science 巻: 11 ページ: 2307058[1-14]
  • DOI: 10.1002/advs.202307058
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Visualizing crystal twin boundaries of bismuth by high-spatial-resolution ARPES (2023)
  • 著者名/発表者名: Moriya Ayumi、Nakayama Kosuke、Kawakami Tappei、Maeda Kensaku、Tokuyama Atsuya、Souma Seigo、Chen Chaoyu、Avila Jose、Asensio Maria Carmen、Kitamura Miho、Horiba Koji、Kumigashira Hiroshi、Takahashi Takashi、Fujiwara Kozo、Segawa Kouji、Sato Takafumi
  • 雑誌名: Physical Review Research 巻: 5 ページ: 023152[1-7]
  • DOI: 10.1103/PhysRevResearch.5.023152
  • 査読あり
• [雑誌論文] Surface-termination-dependent electronic states in Kagome superconductors AV3Sb5 (A = K, Rb, Cs) studied by micro-ARPES (2023)
  • 著者名/発表者名: Kato Takemi、Li Yongkai、Liu Min、Nakayama Kosuke、Wang Zhiwei、Souma Seigo、Kitamura Miho、Horiba Koji、Kumigashira Hiroshi、Takahashi Takashi、Yao Yugui、Sato Takafumi
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 107 ページ: 245143[1-15]
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.107.245143
  • 査読あり
• [雑誌論文] Berry curvature contributions of kagome-lattice fragments in amorphous Fe-Sn thin films (2023)
  • 著者名/発表者名: Fujiwara Kohei、Kato Yasuyuki、Abe Hitoshi、Noguchi Shun、Shiogai Junichi、Niwa Yasuhiro、Kumigashira Hiroshi、Motome Yukitoshi、Tsukazaki Atsushi
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 14 ページ: 3399[1-7]
  • DOI: 10.1038/s41467-023-39112-1
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Unusual Surface States Associated with the PT-Symmetry Breaking and Antiferromagnetic Band Folding in NdSb (2023)
  • 著者名/発表者名: Honma Asuka、Takane Daichi、Souma Seigo、Wang Yongjian、Nakayama Kosuke、Kitamura Miho、Horiba Koji、Kumigashira Hiroshi、Takahashi Takashi、Ando Yoichi、Sato Takafumi
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 108 ページ: 115118
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.108.115118
  • 査読あり
• [雑誌論文] Switching of charge-density wave by carrier tuning in monolayer TiTe2 (2023)
  • 著者名/発表者名: Yanagizawa Koki、Sugawara Katsuaki、Kawakami Tappei、Ando Ryuichi、Yaegashi Ken、Nakayama Kosuke、Souma Seigo、Tanaka Kiyohisa、Kitamura Miho、Horiba Koji、Kumigashira Hiroshi、Takahashi Takashi、Sato Takafumi
  • 雑誌名: Physical Review Materials 巻: 7 ページ: 104002[1-7]
  • DOI: 10.1103/PhysRevMaterials.7.104002
  • 査読あり
• [雑誌論文] Antiferromagnetic topological insulator with selectively gapped Dirac cones (2023)
  • 著者名/発表者名: Honma A.、Takane D.、Souma S.、Yamauchi K.、Wang Y.、Nakayama K.、Sugawara K.、Kitamura M.、Horiba K.、Kumigashira H.、Tanaka K.、Kim T. K.、Cacho C.、Oguchi T.、Takahashi T.、Ando Yoichi、Sato T.
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 14 ページ: 7396[1-8]
  • DOI: 10.1038/s41467-023-42782-6
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Two-dimensional heavy fermion in a monoatomic-layer Kondo lattice YbCu2 (2023)
  • 著者名/発表者名: Nakamura Takuto、Sugihara Hiroki、Chen Yitong、Yukawa Ryu、Ohtsubo Yoshiyuki、Tanaka Kiyohisa、Kitamura Miho、Kumigashira Hiroshi、Kimura Shin-ichi
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 14 ページ: 7850[1-7]
  • DOI: 10.1038/s41467-023-43662-9
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Electronic Structure of Hole-Doped CrxV1－xO2 Epitaxial Films Studied by in situ Photoemission Spectroscopy (2024)
  • 著者名/発表者名: D. Shiga, X. Cheng, T. T. Kim, T. Kanda, N. Hasegawa, M. Kitamura, K. Yoshimatsu, and H. Kumigashira
  • 学会等名: The International Conference on the Science and Technology for Advanced Ceramics and Data Driven Materials Research for Electronics
  • 国際学会
• [学会発表] Quantization condition of strongly correlated electrons in oxide nanostructures' (2024)
  • 著者名/発表者名: Tatsuhio Kanda, Daisuke Shiga, Asato Wada, Ryotaro Hayasaka, Yuuki Masutake, Naoto Hasegawa, Miho Kitamura, Kohei Yoshimatsu, and Hiroshi Kumigashira
  • 学会等名: The International Conference on the Science and Technology for Advanced Ceramics and Data Driven Materials Research for Electronics
  • 国際学会
• [学会発表] SrTi1-xVxO3量子井戸構造における強相関量子化状態の研究 (2024)
  • 著者名/発表者名: 神田 龍彦、志賀 大亮、和田 亜里斗、早坂 亮太朗、増竹 悠紀、長谷川 直人、北村 未歩、吉松 公平、組頭 広志
  • 学会等名: 2023年度量子ビームサイエンスフェスタ,
• [学会発表] 放射光電子分光による(CrxV1－x)2O3エピタキシャル薄膜の電子状態 (2024)
  • 著者名/発表者名: 西翔平, 志賀大亮，井上晴太郎，T. Tirasutt，早坂亮太朗，渡邉颯彦，小澤健一，吉松公平，組頭広志
  • 学会等名: 2024年第71回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] VO2/W:VO2 (110)Rヘテロ構造における電子相転移の直接観測 (2024)
  • 著者名/発表者名: 井上 晴太郎, 志賀 大亮, 早坂 亮太朗, T. Tirasutt ,渡邉 颯彦，長谷川 直人，小澤 健一，組頭 広志
  • 学会等名: 2024年第71回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] 放射光計測に立脚した新原理モットトランジスタの開発 (2023)
  • 著者名/発表者名: 組頭広志
  • 学会等名: ワイドギャップ半導体第11回研究会
  • 招待講演
• [学会発表] 放射光電子分光によるSrVO3量子井戸の量子化条件の決定 (2023)
  • 著者名/発表者名: 神田 龍彦、志賀 大亮、和田 亜里斗、早坂 亮太朗、増竹 悠紀、長谷川 直人、北村 未歩、吉松 公平、組頭 広志
  • 学会等名: 2023年 第84回 応用物理学会 秋季学術講演会
• [学会発表] Resonant tunneling driven metal-insulator transition in double quantum-well structures of strongly correlated oxide (2023)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi KUMIGASHIRA
  • 学会等名: 29th International Workshop on Oxide Electronics (iWOE29)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Electronic structure of SrNbO3/SrTiO3 interface studied by synchrotron-radiation photoemission spectroscopy (2023)
  • 著者名/発表者名: R. Hayasaka, T. Kanda, N. Hasegawa, Y. Masutake, A. Wada, M. Kitamura, D. Shiga, K. Yoshimatsu, H. Kumigashira
  • 学会等名: 29th International Workshop on Oxide Electronics (iWOE29)
  • 国際学会
• [学会発表] Quantization condition of strongly correlated electrons in oxide nanostructures (2023)
  • 著者名/発表者名: Tatsuhio Kanda, Daisuke Shiga, Asato Wada, Ryotaro Hayasaka, Yuuki Masutake, Naoto Hasegawa, Miho Kitamura, Kohei Yoshimatsu, and Hiroshi Kumigashira
  • 学会等名: 29th International Workshop on Oxide Electronics (iWOE29)
  • 国際学会
• [学会発表] Electronic Structure of Hole-Doped CrxV1－xO2 Epitaxial Films Studied by in situ Photoemission Spectroscopy (2023)
  • 著者名/発表者名: D. Shiga, X. Cheng, T. T. Kim, T. Kanda, N. Hasegawa, M. Kitamura, K. Yoshimatsu, and H. Kumigashira
  • 学会等名: 29th International Workshop on Oxide Electronics (iWOE29)
  • 国際学会
• [学会発表] Angle-Resolved Photoemission Study on Ti2O3 Thin Films (2023)
  • 著者名/発表者名: N. Hasegawa, K. Yoshimatsu, D. Shiga, T. Kanda, S. Miyazaki, M. Kitamura, K. Horiba, and H. Kumigashira
  • 学会等名: 29th International Workshop on Oxide Electronics (iWOE29)
  • 国際学会
• [学会発表] Electronic structure of SrNbO3/SrTiO3 interface studied by synchrotron-radiation photoemission spectroscopy (2023)
  • 著者名/発表者名: R. Hayasaka, T. Kanda, N. Hasegawa, Y. Masutake, A. Wada, M. Kitamura, D. Shiga, K. Yoshimatsu, H. Kumigashira
  • 学会等名: The 7th Symposium for the Core Research Clusters for Materials Science and Spintronics and the 6th Symposium on International Joint Graduate Program in Materials Science and Spintronics
  • 国際学会
• [学会発表] Electronic Structure of Supercell Compounds of Layered Bi-Rh-O Films (2023)
  • 著者名/発表者名: Y. Masutake,Daisuke Shiga, Tatsuhiko Kanda, Naoto Hasegawa, Ryotaro Hayasaka, Miho Kitamura, Kohei Yoshimatsu, Mizuki Ohno, Takahiro C. Fujita, Masashi Kawasaki,and Hiroshi Kumigashira"
  • 学会等名: The 7th Symposium for the Core Research Clusters for Materials Science and Spintronics and the 6th Symposium on International Joint Graduate Program in Materials Science and Spintronics
  • 国際学会
• [学会発表] Electronic Structure of Hole-Doped CrxV1－xO2 Epitaxial Films Studied by in situ Photoemission Spectroscopy (2023)
  • 著者名/発表者名: D. Shiga, X. Cheng, T. T. Kim, T. Kanda, N. Hasegawa, M. Kitamura, K. Yoshimatsu, and H. Kumigashira
  • 学会等名: The 7th Symposium for The Core Research Clusters for Materials Science and Spintronics
  • 国際学会
• [学会発表] Quantization condition of strongly correlated electrons in oxide nanostructures' (2023)
  • 著者名/発表者名: Tatsuhio Kanda, Daisuke Shiga, Asato Wada, Ryotaro Hayasaka, Yuuki Masutake, Naoto Hasegawa, Miho Kitamura, Kohei Yoshimatsu, and Hiroshi Kumigashira
  • 学会等名: Material Research Meeting 2023
  • 国際学会
• [学会発表] Band Structure of Ti2O3 Thin Films determined by Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy (2023)
  • 著者名/発表者名: N. Hasegawa, K. Yoshimatsu, D. Shiga, T. Kanda, S. Miyazaki, M. Kitamura, K. Horiba, and H. Kumigashira
  • 学会等名: Material Research Meeting 2023 (MRM2023)
  • 国際学会
• [備考] 東北大学多元物質科学研究所 組頭研究室ホームページ
  • URL: https://www2.tagen.tohoku.ac.jp/lab/kumigashira/html/