【公開日：2025.06.10】【最終更新日：2025.05.09】
課題データ / Project Data
課題番号 / Project Issue Number
24NM5290
利用課題名 / Title
多探針オペランド顕微分光による原子層デバイスの動作中界面分析
利用した実施機関 / Support Institute
物質・材料研究機構 / NIMS
機関外・機関内の利用 / External or Internal Use
内部利用（ARIM事業参画者以外）/Internal Use (by non ARIM members)
技術領域 / Technology Area
【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）加工・デバイスプロセス/Nanofabrication（副 / Sub）計測・分析/Advanced Characterization
【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）量子・電子制御により革新的な機能を発現するマテリアル/Materials using quantum and electronic control to perform innovative functions（副 / Sub）-
キーワード / Keywords
原子薄膜/ Atomic thin film,X線回折/ X-ray diffraction,表面・界面・粒界制御/ Surface/interface/grain boundary control,スピン制御/ Spin control,光リソグラフィ/ Photolithgraphy
利用者と利用形態 / User and Support Type
利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)
永村 直佳
所属名 / Affiliation
物質・材料研究機構
共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes
竹澤伸吾,後藤陸,大澤俊郎,矢治光一郎,Phan Thang Dinh
ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes
渡辺英一郎,津谷大樹,廣戸孝信
利用形態 / Support Type
（主 / Main）技術補助/Technical Assistance（副 / Sub）,機器利用/Equipment Utilization
利用した主な設備 / Equipment Used in This Project
NM-605：水蒸気プラズマ洗浄装置 [AQ-500 #1]
NM-660：マスクレス露光装置 [MLA150]
NM-216：薄膜X線回折装置_Cu
報告書データ / Report
概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)
我々は、共焦点顕微ラマン分光装置にピエゾ精密駆動4探針ステージを導入することで、nmオーダーの微小領域に局所的に電場を印加しながら電子状態計測を実施できる「多探針オペランド顕微ラマン分光装置(MORINGA)」を開発した。また、グループでも、Momentum Microscopeベースの顕微SARPES装置や放射光走査型オペランド顕微SARPESといった新たな先端顕微分光分析機器の開発を進めている。
これらの先端分析装置を活用し、グラフェンや遷移金属ダイカルコゲナイドなどの2次元原子層材料をチャネルとして活用した、デバイス構造のキャリア密度の空間分布を計測する。これにより、界面における寄生抵抗や欠陥・ドメインの影響など、デバイス特性の鍵を握る局所物性を明らかにし、次世代型デバイス設計指針構築に資する知見を得ることを目的とする。 本課題では、電界効果トランジスタ構造の作製、薄膜の構造評価などを実施する。2023年度からの継続利用である。
実験 / Experimental
機械的に剥離し、SiO2/Si基板上に転写した単層グラフェンを用いて、微細加工オープンファシリティにてグラフェン電界効果トランジスタ(GFET)構造を作製した。このGFETに対して、MORINGAでゲート電圧印加下でグラフェンチャネルにおけるGバンド、2Dバンドのピークシフトの空間分布を計測した。データは機械学習を活用して解析した。
デバイス内の薄膜構造評価も実施した。巨大磁気抵抗(GMR)効果を利用した磁気センサ素子において、素子性能に直結する磁気抵抗率を飛躍的に向上させるFeCo基板上のCu超薄膜について、薄膜X線回折やX線反射率測定による構造評価を行った。
結果と考察 / Results and Discussion
GFET構造のチャネル/電極接合近傍において、デバイス動作中の電荷移動領域の振る舞いを可視化することに成功した。今後、放射光走査型オペランド顕微XPSでも検証を実施する。
薄膜XRDによって構造評価を行ったCu超薄膜は、バルクでは準安定であるbcc(bct)構造をとることが確認できた。今後、TEMによる詳細な構造解析と、ARPESによる電子状態解析に取り組む。
図・表・数式 / Figures, Tables and Equations
その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)
口頭発表、ポスター発表および、その他の論文
1. 後藤陸，吉成朝子，岩崎拓哉，鈴木誠也，安藤康伸，松村太郎次郎，小嗣真人，永村直佳，"Operando Study of Graphene Charge Transfer Through Micro-Raman Spectroscopy and Machine Learning", NIMS award Symposium 2024(つくば)，令和5年11月6日
2. 竹澤伸吾，髙瀨颯一，石川大地，大澤俊郎，後藤陸，桜庭裕弥，津田俊輔，矢治光一郎，福健太郎，今村真幸，小嗣真人，永村直佳，"Electronic state analysis of ultra-thin Cu film on FeCo/MgO(100)"，NIMS award Symposium 2024(つくば)，令和5年11月6日
3. 後藤陸，吉成朝子，岩崎拓哉，鈴木誠也，安藤康伸，松村太郎次郎，小嗣真人，永村直佳，"Evaluation of Charge Transfer in Graphene Using Operando Micro-Raman Spectroscopy and Machine Learning", 15th International Symposium of Atomic Level Characterization for New Materials and Devices’24 (ALC’24)(松江)，令和5年11月18日
4. 竹澤伸吾，髙瀨颯一，石川大地，大澤俊郎，後藤陸，桜庭裕弥，津田俊輔，矢治光一郎，福健太郎，今村真幸，小嗣真人，永村直佳，"Electronic state analysis of ultra-thin Cu film on FeCo/MgO(100)"，The 10th International Symposium on Surface Science(ISSS-10)(北九州)，令和5年10月22日
5. 竹澤伸吾，髙瀨颯一，石川大地，大澤俊郎，後藤陸，桜庭裕弥，津田俊輔，矢治光一郎，福健太郎，今村真幸，小嗣真人，永村直佳，"角度分解光電子分光(ARPES)によるCu/FeCo界面のバンド構造観測"，第16回放射光学会若手研究会(小田原)，令和5年9月2日
6. 永村直佳，後藤陸，大石健太，"Operando Raman imaging analysis of atomic layer devices with micro-four-point probes"，15th International Symposium of Atomic Level Characterization for New Materials and Devices’24 (ALC’24)(松江)，令和5年11月22日
7. 後藤陸，吉成朝子，岩崎拓哉，鈴木誠也，安藤康伸，松村太郎次郎，小嗣真人，永村直佳，"顕微ラマン分光と機械学習によるグラフェンのキャリアドープ空間分布評価"，2024年第85回応用物理学会秋季学術講演会(新潟)，令和5年9月18日
8. 永村直佳，後藤陸，大石健太，"広域多次元多角的顕微分光解析によるナノ材料デバイスの電子状態解析"，2024年第85回応用物理学会秋季学術講演会(新潟)，令和5年9月16日
成果発表・成果利用 / Publication and Patents
論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)
口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.
特許 / Patents
特許出願件数 / Number of Patent Applications：0件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件