2つの絶縁体間の界面に生じる金属層の電子構造を解明
究極の省エネ ナノデバイスへの応用に期待
リリース概要
大阪大学産業科学研究所の菅滋正特任教授、大学院基礎工学研究科の関山明教授、藤原秀紀助教、甲南大学の山崎篤志准教授らのグループは、ドイツ‐ビュルツブルグ大学のClaessen教授、Sing博士、日本原子力研究開発機構の斎藤祐児副主任研究員らとの共同研究で、同機構が大型放射光施設SPring-8 のBL23SUに有する世界トップクラスの軟X線角度分解光電子分光装置を駆使して、2つの絶縁体の間の界面にだけ生じる数原子層以下の極薄の金属層の電子状態の詳細を解明するのに世界で初めて成功しました。このような2次元伝導電子状態は両側を絶縁体で保護されるために極めて安定であると考えられますが、作成法を制御することで界面超伝導状態や、界面磁性も誘起できます。本研究ではナノテクノロジーとして大きく期待されながらも従来の手法では両側の物質の間に埋もれて観測が難しかった新規な超薄膜2次元伝導物質のもっとも基本となる電子状態を最先端計測法で解明したと言う意味で注目を集めています。
成果のポイント
・大きなバンドギャップを持つTiぺロブスカイト酸化物の上に、同じく大きなバンドギャップを持つLaぺロブスカイト酸化物を成長させた時、この2つの絶縁体の成長界面にできる極薄金属層の2次元電子状態を、軟X放射光によって精密に測定することに成功した。
・埋もれた界面に由来する2次元金属電子状態のエネルギーと運動量を、高分解能角度分解光電子分光によって同時計測することにより、この界面を動き回っている電子状態の詳細を解明した。
研究の背景・および研究成果の意義
人類社会の発展とともに、省資源、省エネルギーにつながる極微のサイズの機能性材料開発が期待されています。また希少元素を用いることなく、あるいは最小限の希少元素利用にとどめたままで高度の機能を実現できることが望ましいと考えられます。
本研究により高分解能角度分解光電子分光は絶縁体に埋もれた界面電子状態の研究にも極めて有効なことがわかりました。期待されるナノ機能性材料のしかも内部に埋もれた電子状態を運動量も含めて解明できたという意味で画期的な成果と考えられます。これらの研究が進むと、我々の生活において、いつでもどこでも省エネルギーで使うことのできる情報処理機器用のナノ材料が省資源で提供できることになることが期待されます。
特記事項
本研究成果は近日中に米国科学雑誌『Physical Review Letters』のオンライン版に掲載される予定です。
参考図
2次元金属電子状態を作る電子(Fermi準位のエネルギーを持つ)が運動量空間のどこに存在するかを本研究実験から求めた結果
2次元金属電子状態を作る電子(Fermi準位のエネルギーを持つ)が運動量空間のどこに存在するかを本研究実験から求めた結果。水平・垂直軸は面内の方向を示す。(kx,ky)が(0,0)を中心とした狭い運動量空間に界面に誘起されたわずかの伝導電子が存在することが分かる。一方或るモデルに立った理論から予測される(～0.8,～0.8)を囲む正孔Fermi面は観測されないことから、そのモデルは否定され、本論文のモデルが導かれた。
