東北大、チタン酸ストロンチウム基板の表面電子状態を解明

 

東北大学は11月27日、超高分解能顕微鏡観察と第一原理計算の併用により、チタン酸ストロンチウム(SrTiO3)単結晶表面の電子状態の解明に成功し、電子密度の空間分布がエネルギーに依存して変化していることを明らかにしたと発表した。

同成果は、同大 原子分子材料科学高等研究機構(AIMR)の濱田幾太郎助教(現 物質・材料研究機構 MANA研究者)、一杉太郎准教授らによるもの。日本学術振興会の清水亮太特別研究員と共同で行われた。詳細は、米国化学会誌「Journal of the American Chemical Society」のオンライン版に掲載された。

チタン酸ストロンチウムをはじめとした金属酸化物は、微細加工の限界に達しつつあるシリコンに代わるエレクトロニクス素子の基幹物質として注目されている。しかし、酸化物の表面構造を原子レベルで制御することが極めて困難なため、表面の原子配列と電子状態の理解が十分とはいえず、高性能化や実用化への障害となっていた。

研究グループは、これまでの研究によって、試料の調製方法を最適化することにより、原子レベルで制御されたチタン酸ストロンチウム基板表面を作製することに成功している。そして、今回の研究では、まず原子1つ1つが識別可能な走査型トンネル顕微鏡を用いて表面の観測を行った。その結果、チタン原子と酸素原子が整然と並び、大小2つの穴が交互に並ぶ市松模様となっていることが分かった。また、実験結果とは独立して物質の電子構造を計算する第一原理電子状態計算を組み合わせる手法を用いて、チタン酸ストロンチウム表面の電子状態を調べたところ、表面電子状態の空間分布がエネルギー状態によって、リング状から四葉のクローバー状へ変化することを明らかにしたという。

今回の研究成果は、原子レベルで制御されたチタン酸ストロンチウムの表面における原子配列と電子状態を初めて解明した画期的な成果であり、酸化物エレクトロニクスの発展につながる。そして、酸化物表面や異種酸化物界面で発現する電気伝導性、磁性、超伝導といった物理現象のメカニズム解明にもつながるとコメントしている。

(左)SrTiO3表面の走査トンネル顕微鏡像(8nm×8nm)。市松模様が観察されており、表面原子が整然と並んでいることがわかる。(右)SrTiO3表面の構造モデル。赤い部分が表面のみに存在するTiO2秩序層を示し、大小の2つの穴構造をとっている

(上)SrTiO3表面の電子密度の空間分布像。左がフェルミ準位から+1.0eV、右が+1.4eVの分布状態を示す。リング状から四つ葉のクローバー状へと模様がエネルギーに従って変化している様子が確認できる。(下)第一原理計算による電子の空間分布像。エネルギーは上の実験と揃えてあり、同様の模様の変化を再現している



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