【研究分野】無機材料・物性

【研究領域課題番号】17H06153 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

電子化物 / エレクトライド / 材料設計 / 半導体 / 触媒 / 新物質 / 新材料 / 金属間化合物 / バンド構造 / 電子物性 / モット絶縁体 / トポロジカルエレクトライド / 2次元エレクトライド / 選択的水素化触媒

【研究成果の概要】

電子化物（エレクトライド）の物質コンセプトの拡張と新物性の探索、ならびにそれを利用した応用への展開を行った。これまでバルクの電子不足型イオン結晶を母体とする物質に限定されていた電子化物のコンセプトを、表面、中性・電子過剰型、金属間化合物に拡張することに成功した。新物性では１次元電子化物がMott型の絶縁体であること、２次元電子化物がトポロジカル物質のプラットホームになること、希土類炭化物電子化物でアニオン電子の媒介による強磁性、水中でも安定な電子化物などを発見した。応用では、アモルファス電子化物薄膜が低仕事関数で高い透明性を有し有機ELの電子注入層材料として優れていることなどを見出した。

【研究の社会的意義】

社会的意義として最も重要な成果は、温和な条件下でアンモニア合成を可能とする触媒として、これまで必須とされていたルテニウムを使わずに、ニッケルと表面電子化物を組み合わせやCoの金属間化合物の電子化物で、それに匹敵する活性を実現したことである。この成果は水素社会実現のためのキー物質となりつつある、アンモニアのハーバー・ボッシュ法に代わる新合成プロセスの開発に繋がると期待される。上述の研究成果は、Chemical Reviewに65ページの招待総説として2021年に発表した。

【研究種目】基盤研究(S)

【研究期間】2017-05-31 - 2022-03-31

【配分額】174,980千円 (直接経費: 134,600千円、間接経費: 40,380千円)

【研究分野】電子・電気材料工学

【研究領域課題番号】07555412 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

MnAs / 分子線エピタキシ- / 強磁性体 / 半導体多層構造 / GaAs / 不揮発性メモリ / スピンバルブ / (111)基板 / エピタキシャル成長 / 強磁性体半導体多層構造 / エピキシシャル成長 / エピタキシャル強磁性体超薄膜 / 半導体基板 / 磁気異方性 / 半導体 / 磁性体多層構造 / 一軸異方性 / 磁性体薄膜 / 金属間化合物 / 強磁性MnGa薄膜 / 垂直磁化 / ヘテロエピタキシ- / 強磁性MnAs薄膜 / 交番力マグネトメータ

【研究成果の概要】

強磁性金属間化合物MnAsに着目し、半導体基板上にエピタキシャル単結晶強磁性体薄膜を形成し、その構造・電気的・磁気的性質を最適化することにより、半導体エレクトロニクス回路と融合可能なオンチップ不揮発性メモリ実現のための材料開発を行うことを主目的として以下の研究を行った。平成9年度は、強磁性体薄膜MnAsと化合半導体GaAsから成る多層構造(3層構造)の分子線エピタキシ-(MBE)を用いたエピタキシャル成長と物性機能の探索に重点をおいて以下の研究を行った。
(1)強磁性体(MnAs)/半導体(GaAs)多層構造のエピタキシャル成長:GaAsやSi半導体基盤の方位を従来の(001)に加えて(111)方位を使用することにより、MnAs(0001)面のエピタキシャル成長薄膜を得た。この強磁性薄膜は、その構造対称性を反映して面内で磁気異方性がないことがわかった。さらにスピンとキャリア電荷の両方を利用したより高度な機能の実現を目指すため、これら(111)半導体基板上にMnAs/GaAs/MnAs/GaAs、及びMnAs/GaAs/MnAsから成る多層構造のMBE成長を行い、原子レベルで急峻な界面をもつ多層構造が形成されていることを、高分解能の電子顕微鏡観察で確かめた。
(2)半導体/磁性体多層構造の物性機能:多層構造中のMnAsは良好な磁気特性を示し、その飽和磁化は600eμ/cm3程度と、バルクMnAsで報告されている値に劣らないことを示した。また、成長条件を制御することにより、磁気特性のヒステリシスにダブルステップが現れた。これは、上下のMnAs層で保持力が異なるためである。半導体/磁性体から成るエピタキシャル多層構造は、スピンバルブ効果、磁気抵抗効果などを用いたセンサやメモリなどの磁気デバイス機能と半導体機能を融合させるために、有望な新しい材料系であることを示した。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】1995 - 1997

【配分額】5,400千円 (直接経費: 5,400千円)