【研究分野】薄膜・表面界面物性

【研究領域課題番号】16K13683 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

超伝導 / 超薄膜 / 走査トンネル顕微鏡 / 表面・界面物性 / 物性実験

【研究成果の概要】

本研究では空間分解可能な電気伝導測定を用いて、表面・極薄超伝導体の高い臨界電流の起源を解明することを最終目的とした。そのために、まず高品質の単一ユニットセル(1UC)超伝導FeSe超薄膜を作製する条件を探索した。そして基板を520℃で加熱しFeとSeを共蒸着することで、ドメインの大きい1UCFeSe薄膜を作製できることを走査トンネル顕微鏡(STM)観察により明らかにした。一方、5Kでの走査トンネル分光(STS)測定では、超伝導特性が局所的に異なっていた。今後走査トンネルポテンショメトリ(STP)測定でこのような超伝導特性の局所的な違いが高い臨界電流にどのように影響しているかを明らかにする。

【研究種目】挑戦的萌芽研究

【研究期間】2016-04-01 - 2017-03-31

【配分額】3,640千円 (直接経費: 2,800千円、間接経費: 840千円)

【研究分野】応用物性

【研究領域課題番号】16H06332 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

スピントロニクス / 磁性 / 表面・界面物性 / 超薄膜 / スピン軌道相互作用 / 垂直磁気異方性 / 軌道分光 / 第一原理計算 / 表面・界面

【研究成果の概要】

界面原子層成長制御、磁気分光、第一原理計算を結集することにより、界面スピン軌道結合を微視的に解明し、その学術基盤の構築とデバイス応用を狙った。まず、教科書の記述の更新につながる成果としては、界面磁気異方性の微視的理解であり、物質系ごとに軌道磁気モーメントの異方性と軌道四極子それぞれの役割を直感的理解とともに明らかにした。界面原子層成長制御が一層の進歩を遂げ、室温の世界記録となる異方性トンネル磁気抵抗効果や、Fe/MgO/Fe(001)接合のトンネル磁気抵抗効果の倍増にも成功した。この他、可逆歪場を利用した新規磁気分光法や、Rashba型スピン軌道相互作用に関する成果も得た。

【研究の社会的意義】

界面の研究では、試料品質によって結果が大きく異なってくることが多い。本研究では、高品位試料作製技術と磁気分光、理論解析が一体化することによって、well-definedな界面での研究を可能とし、界面でのスピン軌道結合の微視的理解を推し進めた。教科書の改訂につながる成果を挙げており、学術基盤の構築という意義を有する。社会的意義としては、従来よりもはるかに大きなTMRやTAMRを実現しており、今後のスピントロニクス応用における貢献が期待できる。省エネやAI技術を含む次世代情報通信技術に資するものである。

【研究種目】基盤研究(S)

【研究期間】2016-05-31 - 2021-03-31

【配分額】188,500千円 (直接経費: 145,000千円、間接経費: 43,500千円)

【研究分野】物性Ⅰ

【研究領域課題番号】16H03999 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

物性実験 / 超薄膜 / トポロジー / 表面・界面物性 / トポロジカル絶縁体 / ワイル半金属 / 量子振動 / 次元交差

【研究成果の概要】

３次元トポロジカル結晶を２次元原子層まで超薄膜化した際の次元交差効果を磁気抵抗の膜厚依存性により調べた。層状ワイル半金属WTe2においては、磁気抵抗のシュブニコフ・ドハース（SdH）振動をフーリエ解析したところ、薄膜化に伴い３次元フェルミ面に対応するSdH周波数が減少し始め、各ピークの低周波側に複数の２次元的な振舞を示す弱いサブピークが現れることを観測した。これは量子サイズ効果による３次元バンドの２次元サブバンド群への分裂という電子構造の次元交差効果として統一的に理解できる。

【研究の社会的意義】

トポロジカル物質相は近年の物性物理学において急速に発展している分野の１つであり、エラー耐性の高い量子計算への応用可能性などから工学的にも注目されている。一方、トポロジカル相の発現は系の対称性と次元性に深く関係することが知られている。薄膜化により次元性を変えたときにトポロジカル相が示す次元交差現象の理解は、学術的に重要であるばかりでなく、薄膜化・微細化してデバイス応用する知見を得る上で応用上も重要である。本研究によりワイル半金属WTe2の薄膜化に伴う電子構造の次元交差を押さえることができた。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2016-04-01 - 2019-03-31

【配分額】17,420千円 (直接経費: 13,400千円、間接経費: 4,020千円)

【研究分野】ナノ構造物理

【研究領域課題番号】15H01998 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子井戸 / 配向超薄膜 / Pd薄膜 / Pt薄膜 / 強磁性発現 / 電場による磁化制御 / 歪みによる磁化制御 / 磁気異方性制御 / 磁化の電気的制御 / 磁化の歪みによる制御 / Pd, Pt超薄膜 / 磁化制御 / 遷移金属 / 磁性 / 量子井戸構造 / 磁気機能制御 / 非磁性遷移金属超薄膜 / 磁性制御 / 超薄膜 / 表面・界面物性 / Pd超薄膜

【研究成果の概要】

(100)PdとPt薄膜の磁気状態を実験および電子構造計算により検討した。両試料で量子井戸状態の形成に伴う膜厚に依存した強磁性が発現し、その機構を明らかにした。
半導体化した基板とPdの間に形成されたショットキー障壁の電場による変調、強誘電体基板上のPd薄膜への歪みの印加などの手法による量子井戸状態の変化を用いて磁性を変調できることを示した。Pd上にFe薄膜を堆積し、Pd膜厚を変化することで量子井戸状態変化によるFeの電子状態変調に伴う磁気異方性変化を観測した。
量子井戸を変調することで、非磁性物質に強磁性を人工的に付与し、その磁気状態および近接金属の磁性を外的に制御できることを明らかにした。

【研究の社会的意義】

磁気記録などでの低消費電力化を目指すために外場（電場、歪み等）による磁性制御が希求され関連した多くの報告があるが、その基本原理が十分には明確にされてない。本研究では、Pd、Ptなどの交換増大された金属薄膜に形成される量子井戸構造に注目し、非磁性金属への磁気機能の付加とその制御と磁化配向の操作を実現するための学理の構築を目指した。量子井戸状態を電場・歪み等により操作して、 (100)Pd、Pt薄膜への強磁性付加とその磁化制御、これらの膜に近接した強磁性Fe薄膜の磁気異方性制御を実現した。これより情報機器やシステム構成機器の超低消費電力化、高機能化などの革新的な磁気応用技術への展開が現実となる。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2015-04-01 - 2019-03-31

【配分額】42,120千円 (直接経費: 32,400千円、間接経費: 9,720千円)

【研究分野】物性Ⅰ

【研究領域課題番号】15H05453 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

超伝導 / 走査トンネル顕微鏡 / ラシュバ効果 / 物性実験 / 表面・界面 / 表面・界面物性 / 超薄膜

【研究成果の概要】

本研究ではSrTiO3(001)基板(STO)の表面超構造と、その上に成長させた単一ユニットセルFeSeの超伝導特性の関係を走査トンネル顕微鏡/分光測定を用いて調べた。反射高速電子回折観察を行いながらSTO基板の加熱温度を変化させることで、STOの表面超構造を2×1と√2×√2に作り分けることに成功した。さらにこの表面超構造が、上に成長させたFeSeを介して観察できることがわかり、超伝導ギャップの大きさが超構造に依存している( 2×1 上では10-15 meVで、√2×√2では15-17.5 meV)ことを世界で初めて観測した。この起源はSTO基板の終端面に関連していると思われる。

【研究種目】若手研究(A)

【研究期間】2015-04-01 - 2018-03-31

【配分額】23,790千円 (直接経費: 18,300千円、間接経費: 5,490千円)

【研究分野】薄膜・表面界面物性

【研究領域課題番号】26246022 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

酸化物表面 / 界面 / 走査プローブ顕微鏡 / 走査トンネル顕微鏡 / ペロブスカイト / 二次元電子状態 / 超伝導 / 金属酸化物 / 表面 / 酸化物エレクトロニクス / 薄膜 / 酸化物薄膜 / 表面科学 / 表面・界面物性 / 強相関エレクトロニクス / 強相関電子系 / 超薄膜 / 電気伝導 / 二次元電子 / 酸化物 / 表面・界面

【研究成果の概要】

遷移金属酸化物は、通常の半導体には見られない多彩な機能を示すことから、次世代エレクトロニクス材料として活発な研究が展開されている。近年、酸化物作製技術が急速に発展したことにより、原子レベルで急峻な界面を有する薄膜やヘテロ構造の作製が可能になり、新しい物性・機能が見出されている。このような酸化物薄膜やヘテロ構造が示す機能の探求・解明のためには、酸化物薄膜について、電子状態評価を原子レベル空間分解能で行うことが重要である。
そこで、我々は独自の走査トンネル顕微鏡-成膜装置複合システムを構築し、遷移金属酸化物薄膜表面・界面の原子構造と電子状態に関する研究を進めた。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2014-04-01 - 2018-03-31

【配分額】36,530千円 (直接経費: 28,100千円、間接経費: 8,430千円)

【研究分野】電子・電気材料工学

【研究領域課題番号】22560307 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

誘電体薄膜 / 表面・界面物性 / 超薄膜 / MOS 構造 / プラズマ酸化 / 原子層堆積 法 / 酸化ハフニウム / 酸化アルミニウム / MOS構造 / 原子層堆積 / 誘電体物性 / MIS構造 / プラズマ成膜

【研究成果の概要】

本研究課題では、マイクロ波リモートプラズマにより生成した原子状酸素を酸化剤として用いた原子層堆積(PA-ALD)法による高誘電率金属酸化膜の低温形成技術の確立を目的として研究を行った。その結果、シリコン基板上にはシリコン酸化物と金属酸化物の化合物であるシリケート絶縁膜が、ゲルマニウム基板上にはゲルマニウム酸化物と金属酸化物の化合物であるジャーマネイト絶縁膜が300℃以下の低温で自発的に形成される現象を見出した。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2010 - 2012

【配分額】4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円)

【研究分野】電子・電気材料工学

【研究領域課題番号】19106005 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

電気・電子材料 / 誘電体物性 / 超薄膜 / 表面・界面物性 / 界面ダイポール / XPS / 構造相転移 / Higher-k膜 / GeO2 / Fermi-level Pinning / ESR / 高圧酸化 / ショットキーバリア高さ / High-k膜 / Ge / Si-doped HfO2 / HfLaOx

【研究成果の概要】

CMOSデバイスにおけるゲート絶縁膜の薄膜化に対して膜厚を実際に薄膜化するのではなく、膜の誘電率を上げることでゲート絶縁膜の機能を電気的に薄膜化するという今回の研究を通して、高誘電率薄膜における絶縁体としてのエネルギー障壁、誘電率の時間的安定性、SiO_2との界面で生ずる電気的ダイポール層の決定的確認、希土類金属酸化膜の吸湿性に対する一般的理解、あるいは新しい半導体材料(Ge)に対する絶縁膜(GeO_2)の欠陥生成機構に関する実験的証拠を確認できた。

【研究種目】基盤研究(S)

【研究期間】2007 - 2011

【配分額】102,830千円 (直接経費: 79,100千円、間接経費: 23,730千円)