IV族二次元原子層を用いたディラック系熱電薄膜の創製

2022 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 22K20492
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 寺田 吏 東北大学, 金属材料研究所, 助教 (00963662)
• Project Period (FY): 2022-08-31 – 2024-03-31
• Keywords: 薄膜成長 / 層状物質 / ゲルマネン / 熱電変換

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、バックリングしたGe二次元層（ゲルマネン）を含有する層状物質薄膜を形成し、そのゲルマネン結晶構造を元素置換により変形させ、熱電性能を向上させることを目的としている。そのためには絶縁基板上へのゲルマネン含有薄膜の形成方法を確立する必要がある。今年度は、ゲルマネン含有層状物質としてEuGe2に着目し、Ge基板とInP基板上へのEuGe2薄膜形成に取り組んだ。Ge基板上にEuを供給することでエピタキシャルEuGe2薄膜を形成することに成功した。また、EuとGeの同時供給によるEuGe2薄膜形成法を新たに確立し、組成比を制御することでc軸格子定数を制御可能であることを見出した。この結果はEu層とゲルマネン層の層間距離が変化していることを意味しており、ゲルマネン構造が変化している可能性を示唆している。さらに、GeをZnで置換し、ゲルマネン構造の変形を狙った。その結果、ハニカム格子状のフラットなGeZn二次元原子層を含むEuGeZn相が形成されていることを確認した。この結果は、GeのZn置換によりバックリング高さを自在に制御できる可能性を示唆しており、今後EuGeZn薄膜の成長条件最適化とZn添加量の精密制御を行う予定である。
InP基板上においては、GeとEuを同時に供給した場合、EuGe2が形成されないことが分かった。そこで、InP基板の上にGeを堆積した後にEuを供給する逐次蒸着法を用いることでEuGe2を形成することに成功した。今後、成長条件を最適化し、より高品質なEuGe2薄膜の形成に取り組む予定である。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

今年度は構造制御されたゲルマネンを内包する層状薄膜の形成を目的として研究を遂行した。当初は、EuGe2薄膜のEuをSrに置換することでゲルマネン構造の変形を行う予定であったが、組成比を変調することで、ゲルマネン構造を変形できる可能性を新たに見出した。また、GeをZnで置換することでゲルマネン構造を効果的に変形できることに着目し、EuZnGe薄膜の形成にも取り組んだ。以上の取り組みから目的通り、ゲルマネン構造を変形する方法を見出した。

Strategy for Future Research Activity

今年度の成果により、Ge基板上EuGe2の組成比制御やZn置換により構造制御されたゲルマネンを内包する層状物質薄膜が形成されたことを示唆する結果を得ることができた。今後、薄膜成長条件を最適化し、ゲルマネン構造の制御法を確立する。また、作製した薄膜の電気特性評価も行う。一方で、絶縁基板上ではEuGe2の結晶性が低く、十分な品質の薄膜を形成することができていない。今後、絶縁基板上へのEuGe2薄膜成長温度や成長速度の最適化を行い、高品質なEuGe2薄膜の形成を行う。最終的に熱電特性評価を行い、ゲルマン構造と熱電特性との関係を明らかにする。