利用報告書 / User's Reports

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【公開日:2025.06.10】【最終更新日:2025.05.07】

課題データ / Project Data

課題番号 / Project Issue Number

24NU0214

利用課題名 / Title

微小トンネル接合の作製およびナノ物質成長制御

利用した実施機関 / Support Institute

名古屋大学 / Nagoya Univ.

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)高度なデバイス機能の発現を可能とするマテリアル/Materials allowing high-level device functions to be performed

キーワード / Keywords

蒸着・成膜/ Vapor deposition/film formation,ALD,スパッタリング/ Sputtering,リソグラフィ/ Lithography,電子線リソグラフィ/ EB lithography,膜加工・エッチング/ Film processing/etching,電子顕微鏡/ Electronic microscope,集束イオンビーム/ Focused ion beam,X線回折/ X-ray diffraction,トポロジカル量子物質/ Topological quantum matter,表面・界面・粒界制御/ Surface/interface/grain boundary control,超伝導/ Superconductivity,スピントロニクスデバイス/ Spintronics device,量子効果デバイス/ Quantum effect device


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)

柏谷 聡

所属名 / Affiliation

名古屋大学大学院工学研究科

共同利用者氏名 / Names of Collaborators Excluding Supporters in the Hub and Spoke Institutes

矢野力三,谷口晴香,日高大知,奥田大貴,松原直生,林時温,岩瀬勝彦,秋山寛汰,角谷郁

ARIM実施機関支援担当者 / Names of Supporters in the Hub and Spoke Institutes
利用形態 / Support Type

(主 / Main)機器利用/Equipment Utilization(副 / Sub)-


利用した主な設備 / Equipment Used in This Project

NU-231:マスクレス露光装置
NU-205:3元マグネトロンスパッタ装置
NU-206:電子線露光装置
NU-266:全自動X線回折装置
NU-221:プラズマCVD装置


報告書データ / Report

概要(目的・用途・実施内容)/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)

(非磁性)トポロジカル絶縁体(TI: Topological Insulator)は表面に質量をもたない高易動度の電子(Dirac電子)が存在し[Fig. 1(a)]、その表面状態を使った電子機能の解明や活用にこの10年精力的に研究がされてきた。さらに磁性を持ったTIではDirac電子が質量を獲得し,1次元の特異な伝導チャネルが出現すると言われさらに多彩な物理現象を引き起こす舞台として期待されている[Fig. 1(b)]。本研究ではそのような磁性TIが特に超伝導と協奏した特異現象の観測を目指している。TIはバルクからの通常の電子の寄与も存在するため,結晶を薄くすることで表面寄与率の増加を見込み[Fig. 1(b)], さらに十分伝導チャネルが量子化される条件を整えることで磁性TIの一次元チャネル由来の特性の観測を目指す。その要素技術として,本年度では表面の寄与率を増加させた微小結晶を測定する技術を確立し,さらに任意の伝導チャンネルの測定が測定できるように絶縁膜で不要部分を覆って電極作製できる技術の確立に取り組んだ。

実験 / Experimental

磁性をもつと期待されるトポロジカル絶縁体としてFe-doped BiSbTe2Se(Fe-BSTS)[1]のバルク単結晶を使用し、Si基板上にへき開して微小結晶を固定した。そこへフォトリソグラフィー技術を用いて電極サイズとして約1μm程度の電極を作製した。今回記載のとは別の接合では,電子線ビームを用いて数十nm程度の電極サイズの接合技術の確立も行った。測定は2 Kまでの低温で約9 Tまでの高磁場下での電気輸送特性の評価を行った。電極配置は縦抵抗の4端子測定とホール抵抗を同時測定できるようにした。

結果と考察 / Results and Discussion

作製した接合の抵抗の温度依存性と,比較のためバルク結晶の抵抗の温度依存性をFig. 1(c)に示した。高温部では降温に伴って抵抗が増大する半導体的振る舞いである一方、低温では期待していたように抵抗率が減少して金属的振る舞いへと変化している。これはまさにTIの表面が金属的に高易動度な電子が存在しているという特徴と一致する。これは抵抗率の磁場依存性からも確認でき、高温では典型的な放物線的な振る舞いであるのに対して低温では量子振動の振動成分を伴ったカスプ状の鋭い変化となっている。これは表面状態由来の弱反局在という現象で、TIで広く観測されているものである。したがって、今回のプロセスで大きく結晶特性を劣化させるような問題は生じていないことが分かる。 さらにこのプロセスと併用して,結晶の一部を絶縁膜で覆って部分的伝導特性を観測できる技術開発を行った。これはプロセスと条件出しが非常に重要で,複数のプロセスを試みた結果,2層の絶縁膜を使ってリフトオフすると結晶へのダメージを抑えつつも,任意の形状に絶縁膜と電極を加工できることが分かった[Fig. 1(e)]。今後はこれを超伝導電極に対しても行い,当初の目的であった超伝導と磁性TIの協奏する特異現象の観測を目指していく。 さらにTI以外のトポロジカル物質や特異な超伝導体候補物質にたいしても類似の手法開発をすすめている。

図・表・数式 / Figures, Tables and Equations


Fig.1(a) 磁性/非磁性トポロジカル絶縁体(TI)の表面状態とバルク状態の概念図。(b)結晶の厚さによる表面寄与率の違いと磁性TI薄膜の概念図。(c)磁性TIのバルク結晶と薄膜化結晶の抵抗率の温度依存性。低温では薄膜片の表面寄与が増大して抵抗率が大幅に低下している。(d)薄膜化磁性TI結晶の磁場による抵抗率の変化率。高温ではバルクの特性を,低温では表面由来の現象が顕著に表れている。(e)新たに開発中の部分的に結晶を絶縁膜で覆った微小接合の概念図(上)と実際の作成した接合のSEM像(下)。


その他・特記事項(参考文献・謝辞等) / Remarks(References and Acknowledgements)

[1] R. Yano et al., Journal of Physical Chemistry Letters 12, 4180-4186 (2021).   


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.
  1. Rikizo Yano,“Tailoring Magnetic Topological Materials for Superconducting Junctions”, “The Fourteenth International Conference on the Science and Technology for Advanced Ceramics (STAC14)”, 1A03 (Invited),Yokohama,2024年10月8日
  2. 矢野力三,奥田大貴,高橋智紀,笹川崇男,谷口晴香,柏谷聡, “異常ホール効果を示す磁化の小さいフェリ磁性体の探索と単結晶育成” , 日本物理学会 第79回年次大会(2024年), 16aE310-13, 2024年9月16日
  3. 奥田大貴, 笹川崇男, 谷口晴香, 柏谷聡, 矢野力三, “複合遷移金属セレン化物フェリ磁性体の単結晶育成と異常ホール効果” , 日本物理学会 第79回年次大会(2024年), 16aE310-14, 2024年9月16日
  4. 林時温, 矢野力三, 谷口晴香, 廣瀬陽代, 笹川崇男, 柏谷聡, “磁性元素ドープBiSbTe2Seを用いた超伝導接合の作製” , 日本物理学会 第79回年次大会(2024年), 16pPSA-14, 2024年9月16日
  5. 谷口晴香, G. Mattoni, 杉原陽, 新居煕将, 矢野力三, 池田敦俊, 前野悦輝, 柏谷聡, “超伝導接合特性を一軸圧下で測定するための技術開発” , 日本物理学会 第79回年次大会(2024年), 16pPSA-15, 2024年9月16日
  6. 松原直生, 西垣星華, 矢野力三, 谷口晴香, 岡本佳比古, 柏谷聡, “単結晶ノーダルライン半金属CaAgPの輸送特性の異方性評価” , 日本物理学会 第79回年次大会(2024年), 19aE310-13, 2024年9月19日
  7. 矢野力三,奥田大貴,高橋智紀,笹川崇男,鈴木通人,谷口晴香,柏谷聡, “Cr3S4型構造をもつカルコゲン化合物における類似の異常ホール効果” , 日本物理学会2025年春季大会, 19aD1-9, 2025年3月19日
  8. 日高大知, 松原直生, 西垣星華, 矢野力三, 谷口晴香, 岡本佳比古, 柏谷聡, “ノーダルライン半金属CaAgPの微小単結晶を用いた超伝導接合の作製” , 日本物理学会2025年春季大会, 20pPSD-8, 2025年3月20日
  9. 谷口晴香, 西垣星華, 矢野晃我, 松原直生, 矢野力三, 川端隆斗, 土浦宏紀, 岡本佳比古, 柏谷聡, “ノーダルライン半金属CaAg0.9Pd0.1Pの超伝導への静水圧効果” , 日本物理学会2025年春季大会, 19aD1-1, 2025年3月19日
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

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