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物性・原理

薄膜の電気抵抗が厚さに依存して周期的に振動する現象を発見 ~室温で従来の数万倍の2.5ナノメートル周期の大きな変化~

 北海道大学は2021年11月22日,同大学 大学院工学研究院の迫田 將仁 助教,丹田 聡 教授らの研究グループが,薄膜の電気抵抗が厚さに依存して周期的に振動する現象を発見した,と発表した.CaRuO3薄膜において,周期は2.5nm(25Å),抵抗は室温で数千倍,低温では 10桁にも迫る巨大な変化を見せた.本成果は,米国物理学会刊行のPhysical Review B誌に掲載された(注).

 電気伝導は,電子が3次元空間を運動することによって起こる.ところが電子は粒子であるとともに波動でもある.このため電子の波長より狭い空間では電子の運動が抑制され,サイズが10nm程度以下の量子ドットに閉じ込められた電子のエネルギーは離散的になる.量子効果によって高温超伝導,トポロジカルな性質,スピン波などの量子現象が起こる.一方,半導体デバイスの最小加工寸法は10nm以下となり,その動作は電子の2次元伝導を利用している.試料の大きさによって電気抵抗などの物性が変わることはないかの疑問に答えようと,ビスマス(Bi)についての研究が行われているが,組成制御して薄膜材料を作ることの難しい化合物についての研究は少なかった.

 そこで本研究グループは,分子線エピタキシー(MBE)法を用いた原子の安定供給により,高品質の CaRuO3超薄膜を作製し,人工的に創成した2次元系結晶における電気伝導特性を調べた.厚さが0.8~16nmのCaRuO3超薄膜の表面の粗さを原子間力顕微鏡(AFM)で測定すると199pmという原子の大きさ程度の平坦度で,超精密制御で薄膜が作製されていることを確認できた.そこで,厚さ7~10nmのCaRuO3超薄膜の電気抵抗率を4~300Kで測ったところ,厚さ10nmでは金属的で温度とともに緩やかに上昇するのに対し,9nmでは温度上昇とともに3桁低下し,8.5nmでの低下はさらに大きくなり絶縁的になった.ところが,7.7nmになると低下が緩やかになり,7.5nmでは逆に緩やかな上昇になり金属的になった.

 電気抵抗率が厚さによって複雑な変化をしているので,厚さ0.8~16nmのCaRuO3超薄膜の4Kと300Kにおける電気抵抗率をプロットしたところ,厚さに対して電気抵抗率が周期的に変化することが見出された.回帰分析で周期は2.5nm(25Å)と求められた.膜厚8.5nmの電気抵抗率が最も高く,4.2Kで~3×1011Ωcm,300Kで~106Ωcmであるのに対し,最低は,概ね,膜厚7nmにおける~102Ωcm(4.2K),~2×102Ωcm(300K)であった.厚さによる電気抵抗率の変化は低温で1010倍に迫り,室温で数千倍に達した.CaRuO3超薄膜をエッチングで厚さを変えて光電子分光を測定すると,これにも厚さによる周期性が見出された.これらの結果から,結晶中の電荷が周期的に配列するパイエルス遷移により,電子が強いクーロン斥力によって動けなくなるモット絶縁体遷移が膜厚に対して周期的に起こっているものと推定している.

 本研究で見出された厚さによる電気抵抗率の変化はBiにおける室温で10%,低温で数倍を遥かに超える.複数の元素を精密制御した超薄膜において多様な物性の展開されることが分かり,デバイススケーリングの新たな展開に繋がることを期待している.

(注)M. Sakoda, H. Nobukane, S. Shimoda, and S. Tanda , "Extraordinary alternating metal-insulator transitions in CaRuO3 ultrathin films at integer multiples of 25 Å of thickness", Physical Review B, Vol. 104, p. 195420 - Published 17 November 2021, DOI: 10.1103/PhysRevB.104.195420