2018 Fiscal Year Annual Research Report
Creation of new transition-metal oxide thin-film superconductors by electrochemical modulation of the electronic states
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18H03925
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
大友 明 東京工業大学, 物質理工学院, 教授 (10344722)
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2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 薄膜電子材料 / エピタキシー / 電気化学 / 超伝導材料・素子 / トポケミカル反応 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は，薄膜化した遷移金属酸化物に対して電気化学的にキャリアをドーピングすることによって，新奇な超伝導体を創製することを目的とする。また，各種の電子相転移を元素横断的に調べ上げ，新奇な物質群を探索しそれらの機能性を明らかにすることを狙いとする。
3年計画の初年度は，薄膜試料の合成と基礎物性の評価に注力した。その結果，LiV2O4やLiNbO2の薄膜を作製することに成功した。LiV2O4とLiNbO2はこれまで多結晶バルク体しか合成されていなかった。作製した薄膜は単結晶であり，これらの物質本来の電気伝導率や光学特性を明らかにした。また，得られた試料に対して電気化学的にLiイオンを挿入・脱離することで電子・ホールドープを試したところ，キャリア量に応じて金属絶縁体転移を示すことを見出した。さらにLiNbO2では超伝導を観測することに成功した。この物質が超伝導体であることはすでに知られている。しかし，その発現機構や電子状態は明らかになっていない。我々はさらに実験を進め，結晶構造に由来する特異な物性を明らかにした。LiNbO2は，NbO6ユニットが遷移金属酸化物でよくみられる八面体ではなく三角柱状の構造を有する。三角柱状NbO6からなる層とLiが積層した2次元物質である。これらの構造上の特徴が，ホールキャリアの増加に従って可視光領域の透明性が増す（通常は減るところが）という特異な物性の発現につながっていると考えられる。p型透明導電体は数多く知られているが，高い透明性と超伝導の両方を示す物質は初めてである。今後，光電子分光スペクトルや磁気抵抗特性を評価し，LiNbO2の電子状態をさらに詳しく調べる予定である。
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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
単結晶薄膜を用いた超伝導転移や金属絶縁体転移を外場によって制御する研究は，近年基礎・応用の両面から注目を集めている。このことを踏まえ，前項で述べた研究目的を設定した。初年度は，薄膜試料の合成と基礎物性の評価し，前周期遷移金属酸化物の準安定相が得られる合成範囲を見極めることを計画した。具体的には，強還元下におけるパルスレーザ堆積法（強還元PLD）により，種々の基板上にLiV2O4，LiCr2O4やLiNbO2の薄膜をエピタキシャル成長することを計画した。前項で述べた通り，LiV2O4とLiNbO2については順調に進展した。しかしながら，LiCr2O4については，種々検討した結果直接合成することは困難であるとの結論に達した。そこで，まずLiサイトをMgやZnで置換した薄膜を作製し，電気化学的にLiに置換することを検討した。高い結晶性を有するMgCr2O4とZnCr2O4の薄膜を作製することに成功したが，Li置換の実験はうまく行かなかった。このことは，3価のCrが非常に安定であることに由来する。狙いとする3価と4価の混合原子価状態を実現することが極めて難しいことが明らかになった。一連の実験は，準安定相が得られる合成範囲を見極めることにつながった。以上より，初年度としてはおおむね順調に進展していると自己評価した。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後も引き続き薄膜試料の合成と基礎物性の評価に注力し，エピタキシャル安定化により前周期遷移金属酸化物の準安定相が得られる合成範囲を見極める。新たな物質にも取り組む。得られた薄膜試料に対して，フォトリソグラフィ装置，ドライエッチング装置，ワイヤーボンダーを用いて電気特性評価用試料に加工し，電気化学的なキャリアドープ制御を試みる。さらに放射光を用いた光電子分光，X線吸収分光，X線回折評価を実施する予定である。
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