原子の乱れを除いた極簿膜に優れた伝導特性を発見

2021-11-16自然科学系

研究成果のポイント

  • 原子の乱れを完全に除去した理想的な完全結晶表面の創製に成功。
  • 完全結晶表面上ではマグネタイト極薄膜が優れた伝導特性(転移特性)を示すことを発見。
  • ナノエレクトロニクスデバイスへの応用に向け、極薄膜の高い機能を実現する基盤として、汎用的な材料への展開が期待。

概要

大阪大学産業科学研究所の大坂藍特任助教(常勤)、服部梓准教授、田中秀和教授らの研究グループは、大阪大学大学院工学研究科の藤大雪助教、山内和人教授、奈良先端科学技術大学院大学先端科学技術研究科の服部賢准教授、大連交通大学(中国)の郭方准教授らと共同で、薄膜成長の土台となる単結晶基板(成長用基板)に原子の乱れを完全に除去した理想的な究極平坦表面(完全結晶表面)の作製に成功しました。完全表面基板上では強相関酸化物であるマグネタイト(Fe3O4)極薄膜(膜厚:50 nm)の優れた伝導特性(転移特性)が観察されました。

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、基礎と応用の両面から注目されている材料です。ナノエレクトロニクスデバイス応用の観点から転移特性を示すマグネタイト極薄膜の作製が求められていましたが、成長用基板表面の粗さ、欠陥が原因となり結晶品質が劣化するため実現していませんでした。しかし、本グループの持つ特殊な研磨技術を用い完全結晶表面を成長用基板に作製することで、欠陥数が大幅に減少し、マグネタイトが本来持つ優れた転移特性をもつ極薄膜の作製に成功しました。極薄膜でも材料本来の優れた機能を実現する基盤加工技術として、ナノエレクトロニクスデバイスへの応用が期待される材料群への汎用的展開が期待されます。

本研究成果は、米国科学誌「ACS Applied Nano Materials」に、11月2日(火)に公開されました。

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図1. 研究の概要:独自の高精度研磨技術により成長用基板に完全結晶表面を実現することで高品質Fe3O4極薄膜を実現。基板由来の欠陥を極限まで削減することでマグネタイト本来の優れた転移特性が現れることを実証。

研究の背景

ナノエレクトロニクスデバイスの実現には、ナノサイズで優れた性能を示す材料の実現、つまり極薄膜の作製が重要です。一般に、機能性材料の薄膜成長が試料作製の第一段階ですが、薄膜の品質はその土台となる単結晶基板の影響を強く受けます。基板表面の凹凸や欠陥がそのまま薄膜の結晶構造を乱し、ナノサイズでの機能を劣化させています。基板の表面処理には①粒子の細かいサンドペーパーで擦るようにして凹凸を取り除く処理(機械研磨)と、②表面を溶かす、または柔らかくすることで凹凸の除去を促進する処理(化学エッチング)があります。①と②を並行して行う表面処理(化学機械研磨)が一般的ですが、①の効果が大きいと原子の乱れ、欠陥が生じ、②の効果が大きいとでこぼこな表面になるため、完全結晶表面の作製は困難でした。そこで、本研究グループは原子1つ1つを凸部から順に取り除き、最終的に平坦表面を得る表面処理法、触媒表面基準エッチング (Catalyst REferred Etching, CARE)法(図2)を開発しました。CARE法では①の効果を無くし、②の効果を凸部にのみ限定的に作用させることで完全結晶表面を実現します。

強相関酸化物であるマグネタイトは金属-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、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、これまではナノサイズ化(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、100 nm以下の極薄膜では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。アンチフェイズバウンダリーは主に成長用基板表面の原子の乱れ(粗さ、欠陥等)を原因に発生し、薄膜と成長用基板との界面に集中して存在します。つまり、極薄膜は欠陥を多く含むため結晶構造が乱れ、転移特性などの物性が低下していました。

本研究グループではCARE法をマグネタイト薄膜の成長用基板に適用し、原子の乱れが究極的に少ない完全結晶表面を実現しました。表面粗さは0.1 nm rms未満であり、これは甲子園球場いっぱいの広さの運動場の高低差が1 mm以下に収まっているのと同じ究極的平坦さです。これにより、薄膜/成長用基板界面の欠陥数が従来の約1/1000まで減少され、優れた導電特性(相転移特性)を示すマグネタイト極薄膜を実現しました(図3)。本結果はこれまでは基板の表面の不完全性から機能が劣化していた材料でも、極薄膜で材料本来の優れた物性を実現できることを示しており、極薄膜の機能発現のための有効なアプローチです。究極的に乱れを取り除いた完全な基板表面は、ナノエレクトロニクスデバイスへ応用展開の第一ステージとして、多くの機能性薄膜材料に展開することが期待されます。

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図2. 触媒表面基準エッチング(CARE)法概念図。凸部から選択的にエッチングすることで表面結晶構造を崩さずに平坦表面を実現。

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図3. 高品質マグネタイト極薄膜での転移特性。一般的な極薄膜試料では観察できない明らかな抵抗変化を観察。

本研究成果が社会に与える影響(本研究成果の意義)

本研究では、今まで技術的に実現が困難であった完全結晶表面を薄膜の成長用基板に作製することで、極薄膜でも材料本来の物性が発揮されることを実証しました。これは薄膜材料全般に普遍的に展開できる成果であり、完全結晶表面上の極薄膜で発現される優れた物性を利用し、ナノエレクトロニクス応用はもちろんのこと、ナノ物性物理を発展させる学理構築に大きく貢献すると期待されます。

特記事項

本研究成果は、2021年11月2日(火)に米国科学誌「ACS Applied Nano Materials」(オンライン)に掲載されました。

タイトル:“Nondeteriorating Verwey Transition in 50-Nanometer-Thick Fe3O4 Films by Virtue of Atomically Flattened MgO Substrates: Implications for Magnetoresistive Devices”
著者名:Ai I. Osaka, Daisetsu Toh, Kazuto Yamauchi, Ken Hattori, Xiaoqian Shi, Fangzhun Guo, Hidekazu Tanaka, and Azusa N. Hattori
DOI:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsanm.1c02634

なお、本研究は、日本学術振興会(JSPS)科学研究費補助金(Grant number 20K15116)、国際共同研究強化(B)、文部科学省(MEXT)ナノテクノロジープラットフォームプロジェクト(Nanotechnology Open Facilities in Osaka University, Nos. F-16-OS-0012 and F-16-OS-0016, and Synthesis of Molecules and Materials in NAIST)、公益財団法人東電記念財団、公益財団法人三菱財団、公益財団法人マツダ財団、の助成を受けて行われました。

参考URL

3次元ナノ構造科学研究分野
https://www.sanken.osaka-u.ac.jp/labs/tdn/

SDGsの目標

  • 07 エネルギーをみんなにそしてクリーンに
  • 09 産業と技術革新の基盤をつくろう

用語説明

強相関酸化物

主に3d遷移金属で構成される金属酸化物で、物質の中で電子同士の間に働く有効なクーロン相互作用が強いもの。電子・スピン・軌道の秩序状態は僅かな摂動(温度、磁場、キャリア濃度)で融解し、相転移を起こす。相転移に付随して、電気的、磁気的、光学的に劇的な変化を示す物質群。

マグネタイト(Fe3O4)

マグネタイトは古代ギリシア時代から既に知られており、磁石(magnet)の語源になった物質。図2のような逆スピネル型の結晶構造を持ち、酸素を中心とする八面体頂点の半分に Fe2+イオンが(Aサイト)、残りの八面体頂点の半分と四面体頂点に Fe3+イオンが配置している(Bサイト)。複雑な電荷秩序状態から基礎研究の対象物質として80年以上に渡り精力的に研究されているだけでなく、スピントロニクス応用などの観点でも注目されている。

金属-絶縁体転移(フェルベー転移)

温度によって水が氷に変化するように、同じ物質でありながら金属⇔絶縁体と相変化すること。主に温度変化によって引き起こされる。マグネタイトでは1939年にフェルベー(Verwey)によって発見されたことから、フェルベー転移と呼ばれ、バルク試料では123 Kで起こる。

アンチフェイズバウンダリー(異相境界)

結晶中で原子の配列に関する位相がずれている境界。二元合金の規則相で頻繁に現れることが知られている。マグネタイトの場合は、格子定数a(=0.840 nm)に対しa/4分の位相がずれたアンチフェイズバウンダリーが形成され、アンチフェイズバウンダリーの平均間隔は約50 nmと報告されている。