2014 Fiscal Year Annual Research Report
電界効果によるバンド制御を用いたグラフェン，二次元層状物質における新規物性の開拓
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14J00228
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| Research Institution | Okayama University |
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Principal Investigator |
上杉 英里 岡山大学, 自然科学研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2014-04-25 – 2017-03-31
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| Keywords | 電界効果 / 二次元層状物質 / イオン液体 / 超伝導 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
平成26年度は、「電界効果によるキャリア注入による無機・有機二次元層状物質の電子物性制御」という目的を達成するために、「(1) 絶縁性無機結晶を使った電界効果トランジスタの作製と動作制御、(2) 数層グラフェンのバンド制御によるグラフェントランジスタの動作特性制御」の二つを研究課題とした。以下に具体的な研究成果と研究の重要性を記載する。
K2Pt(CN)4と類似したCuの一次元鎖が架橋構造をとるBi2CuO4は、高温超伝導体として知られるLn2CuO4 (Ln = ランタノイド原子）とは異なる物性を示す。本研究では、Bi2CuO4単結晶を用いた電気二重層電界効果トランジスタ (EDL FET) を作製し、ゲート電圧を負に印加したときに電流が流れるpチャネル特性を観測した。光電子収量スペクトル測定と光伝導の測定から、深いHOMOレベル（-5.7 eV）とワイドバンドギャップ（Eg = 1.8 eV）であることを確認した。このように、電子特性を明らかにするとともに、電界効果正孔注入を初めて行うことができた。この物質は、磁気的性質に特徴があるので、高濃度正孔注入によって、磁気的特性を制御したいと考えている。
厚さ数10～数100 nmの薄いLaOBiS2単結晶を用意し、これの電界効果トランジスタを作製して動作特性を調べた。SiO2絶縁層をゲート誘電体に用いたトランジスタ (FET)、イオン液体を誘電絶縁体とするEDL FETのいずれにおいても、安定なnチャネルFET動作を観測した。また、EDL FETの印加ゲート電圧を増加させると、電気抵抗の温度依存性に金属的振る舞いが観測された。LaOBiS2はOのFによる部分置換による電子ドーピングにより超伝導転移を示す化合物であることから、電界効果による電子蓄積が達成されたことは、電界誘起超伝導の実現の可能性が期待できる。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究は、電界効果キャリアチューニングによって絶縁性の無機・有機物質の電子状態制御を行って新規な物性を開拓することを目的としている。とくに、絶縁体―金属―超伝導転移を誘起することを重点課題として掲げている。26年度は、Cu一次元鎖を有する反強磁性絶縁体のBi2CuO4と二次元層状物質のLaOBiS2とを研究対象とし、電界効果によるキャリアドーピングによりその物性制御を試みた。
Bi2CuO4は、高温超伝導体であるLn2CuO4と同じ化学組成を有するため、構造と電子的特性（とくに磁気秩序）について1990年代に盛んに研究が行われた化合物である。しかしながら、これまで化学的な手法によってキャリアドーピングに成功した例はなかったため、本研究で達成したp型FET動作の観測（電界による正孔の注入の成功）は、「電界効果による新規な物性の創出と制御」の観点から、今後の研究を推し進める上で重要な研究成果である。LaOBiS2については、n型のFET動作の観測（電界による電子の注入）と、電界による金属―絶縁体転移の誘起に成功しており、研究目的である電界誘起超伝導転移の観測に近づきつつある。このように、静電的なキャリアドーピングが達成されてこなかった物質について、26年度に、イオン液体を使ったEDLキャパシタによって、高濃度のキャリア蓄積に成功したことは、新しい物質系において、超伝導相を誘起する研究を現実のものとしたと評価できる。また、第二の研究目的である「数層グラフェンの層数や積層様式に依存したバンド構造の解明」については、現在継続して研究を進めており、グラフェンのバンド構造とキャリア蓄積のメカニズムに関する研究成果を国際会議（KJF-ICOMEP 2014）において発表し、ポスター賞を得ることができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
イオン液体による電気二重層を用いた電界誘起超伝導相の創出： LaOBiS2単結晶を用いた電界効果電子蓄積に関する26年度の研究で、電子蓄積に基づくn型のFET動作を観測した。本年度は、イオン液体を使うEDLキャパシタへの電界印加によって、静電的に高濃度の電子を蓄積させて絶縁体―金属―超伝導転移の観測に取り組む。また、高温酸化物超伝導体の母物質として知られている銅酸化物Ln2CuO4への電界効果キャリアドーピングによる超伝導誘起にも取り組む。
単結晶の接合によるヘテロ構造界面における新規物性の開拓： 非超伝導体のFeTeにトポロジカル絶縁体のBi2Te3薄膜をエピタキシャル成長させた界面においてTc = 12 Kの「界面超伝導相」が出現する。本研究では、薄膜による接合を、単結晶による接合に変えて、その接合界面において「界面超伝導相」を発現させる。また、グラフェンや多様な二次元層状物質の薄膜ならびに単結晶接合により、高性能な電界効果トランジスタの開発や、界面超伝導を始めとする新規な物性発現の研究を展開する。そのため、現在 10 Tまで磁場印加可能で、500 mKまで冷却可能なクライオスタットを立ち上げ中である。これによって蓄積キャリア数をホール効果で測定可能となる。
X線を用いた単結晶表面における局所構造の観測： これまでの電界効果キャリアドーピングの手法を用いる研究計画に加え、二次元層状物質にアルカリ金属・アルカリ土類金属を挿入することにより、化学的に超伝導を発現させる。金属ドープした二次元層状物質超伝導体の結晶表面について3Dホログラフィー像を使って構造解析をおこない、層間に存在するインターカラントの空間的な分布様式を明らかにする。これは、表面や界面のみに得られる超伝導相の構造を直接調べることを可能とし、将来的には、電界効果によって誘起された超伝導相の構造を見ることにつながる。
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