大阪大学産業科学研究所のルパリ・ラクシット特任助教（研究当時）、服部梓助教(研究当時 JSTさきがけ研究者兼任)、田中秀和教授の研究グループは、国立研究開発法人 産業技術総合研究所の、内藤泰久主任研究員、島久主任研究員、秋永広幸総括研究主幹と共同で、三次元方向全てが10nmサイズを持つ強相関酸化物 であるマグネタイトFe ₃ O ₄ のナノ構造体の作製を実現し、極微ナノ試料において初めて相転移特性を観察しました （図1） 。

マグネタイトは金属-絶縁体転移(フェルベー転移) によりその電気伝導度が大きく変わることが知られており、基礎、応用の両面から注目されている材料です。これまでマグネタイトはナノサイズ化すると、欠陥の密度上昇により相転移が消失すると報告されていました。しかし、服部助教らのグループの持つ高品質なナノ構造体を作製できる技術と産業技術総合研究所の10nmの微小間隙（かんげき）を有する電極作製技術を組み合わせることにより、ナノ構造化を実現し、mm-μmサイズの大きなサイズの試料よりも欠陥密度が低く、マグネタイトが本来持つ優れた転移特性を引き出せることを実証しました。これにより、固体物理の最も重要な未解決問題の1つであるマグネタイトの金属-絶縁体転移の機構解明や、10nm以下のサイズでも動作するナノエレクトロニクスデバイスへの展開が期待されます。

本研究成果は、米国科学誌「Nano Letters」に、7月9日に公開されました。

図1　研究の概要:独自のナノ細線作製技術とナノギャップ電極によりFe ₃ O ₄ の10nm領域での相転移を初観察。ナノ空間の抽出により、欠陥密度が低く、マグネタイト本来の優れた転移特性が現れることを解明。

マグネタイト （図2） は金属-絶縁体転移によりその電気伝導度が100倍以上変わることなどから、80年以上に渡り精力的に基礎学術研究が行われてきました。また、ナノエレクトロニクス展開を目的として、ナノ細線、ナノ粒子など様々な手法でナノ構造化が進められてきました。しかし、これまではナノ構造化(サイズ減少)により転移の消失や、抵抗変化率の低下が報告されており、ナノ構造体での優れた転移特性の観察は難しいと考えられていました。その理由として、マグネタイトで特徴的にみられるアンチフェイズバウンダリー(異相境界) などの欠陥が挙げられます。欠陥の多くはサブ-数ナノメートルサイズであるため、ナノ構造体ではサイズの大きい薄膜試料などに比べて欠陥の影響を大きく受け、転移特性など物性が低下していました。

服部助教らのグループでは、単結晶化した3次元ナノテンプレート基板の側面を起点とし、nm精度でサイズを制御したナノ構造作製手法(3次元ナノテンプレートPLD法（pulse laserdeposition：パルスレーザー堆積法）)を開発し、高品質なナノ構造体を実現してきました。この手法によりマグネタイトで欠陥が少なく、優れた転移特性を示すナノ構造体を実現しました。作製したナノ構造体にも欠陥は存在しますが、欠陥の少ない領域を選び出すことで、薄膜試料よりも5倍以上変化率が上昇することを発見しました （図3） 。これはマグネタイトの本来持っている特性が、欠陥(主にアンチフェイズバウンダリー)の影響を受けずに抽出できたためです。

さらに、今回の成果によって、高品質なマグネタイトのナノ構造体の実現により、マグネタイトの相転移の起源といわれているトライメロン という準粒子のサイズなどの正確な見積もりを可能としました。トライメロンの生成・消滅はマグネタイトの相転移と直結しているため、そのダイナミクスを理解することが重要です。これまで主流であった薄膜などの大きなサイズの試料では、非常に小さいトライメロンの情報は平均化されて埋没してしまいますが、今回実現した高品質なナノ構造体での研究により新たな情報が得られ、フェルベー転移の機構の理解を可能にすると期待されます。

図2　マグネタイトの構造

図3　ナノ細線試料での優れた転移特性。同じ作製条件の薄膜試料より5倍以上の変化率を示すナノ構造体を作製できた。

本研究成果により、固体物理の最も重要な未解決問題の1つであるマグネタイトの金属-絶縁体転移の機構解明へとつながります。また、10nmサイズでも動作可能な強相関ナノエレクトロニクス、スピントロニクスへの展開が可能となると期待されます。今回用いたナノ構造作製技術はマグネタイト以外の物質群にも適応可能で、ナノ物性物理、ナノテクノロジー技術の発展へ幅広い応用が見込まれます。

本研究成果は、7月9日に米国科学誌「Nano Letters」（オンライン）に掲載されました。
タイトル：“Three-dimensional Nanoconfinement Supports Verwey Transition in Fe ₃ O ₄ Nanowire at 10 nm LengthScale”
著者名：Rupali Rakshit, Azusa N. Hattori, Yasuhisa Naitoh, Hisashi Shima, Hiroyuki Akinaga, and Hidekazu Tanaka
DOI: 10.1021/acs.nanolett.9b01222

本研究は、科学技術振興機構(JST)戦略的創造研究推進事業さきがけ「素材・デバイス・システム融合による革新的ナノエレクトロニクスの創成」研究領域における研究課題名「遷移金属酸化物のナノ空間3次元制御による省エネルギー駆動機能選択的相変化デバイス創製」(研究者：服部梓)の一環として行われました。また、本研究の一部は日本学術振興会（JSPS）科学研究費補助金（Grant Numbers 16H06011, 26246013）の助成を受けて行われました。