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【課題】次世代の物質科学のキーワード

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グリーンテクノロジーは省エネルギー・省資源・希少元素代替・RoHSといった課題解決や環境センサー・発蓄電・高性能触媒といった機能性材料・デバイス開発のための要素技術の総体です。 本研究提案では、こうした機能発現の場となる界面に注目し、界面現象の理解と制御に取り組みます。 異種の固相が相接する界面領域では、バルクには見られない異方的な構造歪み・組成変調に伴う特異な局所電子状態の形成により、分極・整流・発光・光/熱起電力・界面磁化・電気伝導など様々な新奇電子物性が発現します。 こうした界面現象を基礎とした機能性物質・デバイスを開発する上で、原子サイトを特定した評価手法と原子レベルでの界面設計・構築技術の確立が喫緊の課題となる、と考えます。

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グリーンイノベーションにつながるような材料を取り上げ、その機能発現の機構を解明していきます。

【背景】

私たちはこれまで2次元光電子分光・回折の研究を深め、 その過程でAuger電子回折とX線吸収測定を組み合わせた回折分光法を考案するに至りました。 結晶表面からのAuger電子回折には、励起原子から散乱原子の方向に前方収束ピークと回折リングが現れ、原子構造解析を可能になります。 逆にその強度が由来する励起原子を特定できます。 各サイト特有の前方収束ピークと回折模様を原子レベルのプローブとして用いることで、 各サイトのスペクトルが得られます。次の組合せが有効です。

  • 内殻光電子分光 × 光電子回折:深さ・サイト分解組成分析と化学状態分析
  • 価電子帯光電子分光 × 光電子回折:深さ・サイト分解電子状態・原子軌道解析
  • X線吸収分光・磁気円二色性 × Auger電子回折:深さ・サイト分解伝導帯・磁気構造解析

回折分光法は表層下領域の電子状態を非破壊的に原子レベルで調べる新たな手段となります。 昨年までのグラフェンデバイスプロジェクト(黄・松井文)では 本手法を剥離グラフェンの構造解析に適応し、 グラフェンの積層構造や下地との相互作用による電子状態の変化などを解明しました。 また光電子回折のプローブ深さに見合うオーダーまで薄膜層をエッチングし、 直接的に界面の組成・原子構造・電子状態を調べることを試みています。 デバイス界面で原子構造・電子状態が実際どのようになっているか、 これまで直接的に観察する手法がなく隔靴掻痒の状態でしたが、 ここでも本手法の有効性が示されてきました。 これまでの成果を出発点に、本学での「界面分析技術」と「デバイス作製技術」を 密に融合できる強みを活かした本課題を提案するに至りました。

研究室の目標

当研究室では、デバイス作製サイドの問題提起と分析手法開発サイドの挑戦によるシナジー効果を追求します。 界面領域の新たな評価・設計法の確立を目指し、 具体的なデバイスを想定した界面の各原子サイトの原子構造・電子状態について解明します。

次に掲げる系をターゲットとする。

  • A) SiCベースのパワーデバイス 界面の原子構造・電子状態を解析し、ヘテロ構造作製プロセスにフィードバックする。 無極性面を利用したヘテロ接合FET:AlN/SiC(11-20) 界面ディフェクトフリーの絶縁膜:SiOxNy/SiC(0001)
  • B) grapheneの基板との相互作用(黄・畑山・松井公) 積層/端部構造と層ごとの電子状態を解析し、デバイスに適した基板との相互作用を解明する。 基板表面状態の差による電子状態への影響:SiO2上剥離グラフェン、SiC(0001), ヘテロ積層構造によるディラックコーンの制御:graphene/BN/Cu(111)
  • C) アモルファス薄膜・多結晶表面 出角依存性によるアモルファスIGZO/SiO2界面近傍の組成深瀬分解解析 微小X線や顕微光電子回折分光法(DELMA)を用い、各微小ドメインの解析を行う。 太陽電池多結晶シリコン表面の各ドメインの酸化膜形成過程など
  • D) 磁性薄膜 原子層分解磁気構造解析を発展させ、相転移による垂直磁化スイッチングの制御を目指す。 スピン配向転移による垂直磁化の誘起:Ni/Cu(001) 強磁性体基板による界面磁性の誘起:Gd/poly-Fe

新分析器作製

真空排気系を少しずつ確保しています。306新実験室で展開中。

回折分光法の開発

SPring-8 BL25SU 2D-PES実験ステーションを拠点に展開中。

助成金・支援

本研究室の活動は下記の支援をいただいています。この場を借りて感謝申し上げます。

  • 科学研究費 基盤B・国際共同研究強化
  • 科学研究費 新学術領域研究分担者
  • 奈良先端大 支援財団
  • 奈良先端大 国際イニシアチブ
  • 奈良先端大 物質創成科学研究科グリーンフォトニクス研究プロジェクト