広報活動

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2012年7月26日

独立行政法人理化学研究所
国立大学法人東京大学

室温において乾電池程度の電圧で電気的性質と結晶構造をスイッチ

-電界効果で固体全体の性質を変える「相転移」に成功-

ポイント

  • 強相関酸化物と電気二重層を組み合わせ、1Vの電圧で巨大な電気抵抗変化を実現
  • SPring-8を用いた構造解析で、結晶構造の変化を確認
  • 次世代の超低消費電力スイッチング素子や不揮発性メモリ素子の実現に道

要旨

理化学研究所(野依良治理事長)と東京大学(濱田純一総長)は、強相関酸化物※1電気二重層※2を用いた新しい電界効果トランジスタ(FET)※3を開発し、固体表面に電荷を貯めるだけで固体全体の電気的性質および結晶構造が変化する新現象を発見しました。これは、理研基幹研究所(玉尾皓平所長)強相関量子科学研究グループ強相関複合材料研究チームの中野匡規特別研究員、岩佐義宏チームリーダー(東京大学大学院工学系研究科教授)、強相関界面デバイス研究チームの川崎雅司チームリーダー(同教授)、十倉好紀グループディレクター(同教授)らによる研究成果です。

金属の中では、電気を流す働きをする自由電子が存在しており、金属中を自由に動き回っています。しかし、強相関酸化物に代表される特殊な金属では、電子同士が反発し合う効果が強いため、電子が多量に存在するにもかかわらず電気を流さなくなる(絶縁体化する)ものがあります。このように反発し合う電子を強相関電子と呼びます。強相関酸化物は環境の変化に敏感で、元素を入れ替えたり(化学置換)、磁石を近づけたり(磁場効果)、光をあてたり(光照射効果)、押したり(圧力効果)すると、相転移※4を起こして電気を流す状態(金属あるいは超伝導状態)や磁石の性質を帯びた状態(強磁性状態)に突然変化します。この相転移を電圧で制御することは産業応用上非常に重要ですが、実現した例はこれまでありませんでした。

研究グループは、固体と電解液の接触界面に形成される電気二重層の巨大な電界を利用して、強相関酸化物の相転移をわずか1 Vの電圧で制御することに初めて成功しました。その性質を詳しく調べたところ、固体表面への電荷の蓄積を引き金として、固体内部で反発し合っていた電子が集団で動き出し、電気的な性質だけではなく固体の結晶構造も変化していることが分かりました。また、この電圧で誘起した低抵抗状態(金属状態)は、電圧を遮断しても長時間保持されることが分かりました。この成果は、次世代の超低消費電力スイッチング素子の実現に新しい道筋を示すだけでなく、不揮発性メモリや光スイッチなどへの応用をも視野に入れることになります。

本研究成果は、最先端研究開発支援プログラム(FIRST)課題名「強相関量子科学」(中心研究者:十倉好紀)の事業の一環として得られた成果で、科学雑誌『Nature』オンライン版(7月25日付け:日本時間7月26日)に掲載されます。

背景

コンデンサの蓄電効果を利用したFETは、電圧による電気抵抗のスイッチング機能を提供する基本素子であり、コンピュータや携帯電話などの電子機器には欠かせない要素技術の1つです。従来の半導体エレクトロニクスでは、シリコンを基盤としたFETを微細化・高集積化することによる高性能化を目指していました。しかしFETの微細化には限界があり、それを乗り越えるために別の技術の創出が期待されています。例えば、電子の持つ電荷とスピンの同時制御を目指すスピントロニクスや、強相関電子の特殊な性質を利用する強相関エレクトロニクスが提案され、従来のシリコンテクノロジーでは実現不可能な新機能の実現を目指す研究・開発が行われています。

今回の研究で注目した強相関酸化物は、高温超伝導に代表される桁外れな性質を示す物質群として、科学者の興味を集めてきました。さらに、ここ10年ほどの研究から、次世代エレクトロニクスの候補材料としても注目されています。なぜなら、磁場や光、圧力などを加えると性質が劇的に変わり(相転移)、絶縁体から金属に変化し、物質によっては強磁性を示すことが明らかになってきたからです。しかし、産業応用上最も重要な「電圧による相転移」を実現した例はなく、強相関エレクトロニクスを実現する上で最も大きな障壁でした。その理由は、強相関酸化物に特徴的な電子同士の反発力を打ち消すことができるほどの大きな電界を作り出すことができなかったためです。

研究手法と成果

これまでに研究グループは、巨大な電界を作り出す手法として、固体と電解液の界面に形成される電気二重層に注目し、それをFETに応用した電気二重層トランジスタ(EDLT)の開発を進めてきました。今回、この手法を代表的な強相関酸化物である二酸化バナジウム(VO2)に適用しました。VO2は、室温よりも高い温度で絶縁体と金属の相転移を示し、その相転移は数桁に渡る巨大な抵抗の変化を伴い、かつ転移の前後で結晶構造も変化することが知られています。このVO2の相転移を電圧で制御するために、金属とVO2の間に電解液としてイオン液体※5を満たしたEDLTを作製し(図1)、その性質を調べました。

まず、金属(ゲート電極)に電圧を加えたときの、VO2の電気抵抗の変化(電界効果)を調べました。その結果、わずか1 Vの電圧を加えると、電気抵抗がおよそ1000分の1以下に減少し、絶縁体から金属に相転移することが分かりました(図2)。これは強相関電子が反発力を失って、突然動き始めたことを意味しています。その様子を直接捉えるため、ホール効果※6測定を用いて、電界効果で新たに加えた電子の数と、実際に動いている電子の数を比較しました。その結果、加えた電子の数よりもはるかに多い数の電子が動き、例えば0.4Vの電圧を加えると、加えた電子の数に対して約1000倍も多く動いていることが分かりました(図3)。そして、その数を計算したところ、固体内にもともと存在しながらも反発力で動けなかった電子(局在電子)の数に一致していることが分かりました。これは、電界効果でVO2の表面に電荷を貯めると、固体内に存在していた強相関電子全てが集団で動き始めることを意味しています。さらに、この相転移前後で結晶構造が大きく変化していることを、大型放射光施設SPring-8※7を利用したX線構造解析で明らかにしました。このような電界効果による固体全体の状態変化や結晶構造の変化は、強相関電子の特徴を色濃く反映した新しい効果であり、従来の半導体エレクトロニクスでは成しえないものです。

今後の期待

今回、室温において1 Vという乾電池程度の電圧で絶縁体と金属をスイッチできることを示したことで、強相関酸化物を主役とする超低消費電力な電子デバイスへの応用の道が拓けると期待できます。また、この電圧で誘起した低抵抗状態(金属状態)は、電圧を遮断しても長時間保持されることが分かり、新しい不揮発性メモリとして使える可能性があります。さらに、表面を操作するだけで固体全体の性質を制御できることから、従来のFETでは不可能だった体積変化を必要とする光スイッチへの応用も期待できます。例えばVO2は、外気温に合わせて自動的に赤外線を透過/遮断するスマートウィンドウとしての応用が期待されていますが、この赤外線に対する透過性をわずか1 Vで電気的にスイッチできれば、大きな産業需要があると考えられます。基礎研究の側面からも、強相関電子の相転移の瞬間を直接捉えた本研究の意義は極めて大きく、強相関電子が重要な役割を担う高温超伝導などの物理現象の解明にも大いに貢献すると期待できます。

原論文情報

  • M. Nakano, K. Shibuya, D. Okuyama, T. Hatano, S. Ono, M. Kawasaki, Y. Iwasa and Y. Tokura, “Collective bulk carrier delocalization driven by electrostatic surface charge accumulation” Nature , (2012). doi: 10.1038/nature11296

発表者

理化学研究所
基幹研究所 強相関量子科学研究グループ 強相関複合材料研究チーム
特別研究員 中野 匡規(なかの まさき)

チームリーダー 岩佐 義宏(いわさ よしひろ)
(東京大学大学院工学系研究科 量子相エレクトロニクス研究センター教授)

報道担当

理化学研究所 広報室 報道担当
Tel: 048-467-9272 / Fax: 048-462-4715
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補足説明

  1. 強相関酸化物
    電子同士が強く相互作用する特殊な酸化物のこと。負の電荷を持つ電子は、クーロン反発によりお互いに反発しあう性質を持つ。通常の金属や半導体においては、電子の負電荷が作る電界は原子核の正電荷によって打ち消され、電子同士がお互いに影響を及ぼしにくい状態になっている(遮蔽されている)。そのため、電子1個1個が周りの電子の影響を受けずに独立に振る舞うことが知られている。一方、遷移金属酸化物などの特殊な物質では、電子の運動が空間的に制限されることによって、上記の遮蔽効果が弱まり、電子同士がお互いによく見える状態になり反発しあって動けなくなる(絶縁体化する)ことが知られている。この絶縁体状態は環境の変化に敏感で、ほんのわずかな変化(あるいは乱れ)を与えることで相転移を起こす。
  2. 電気二重層
    固体と電解液(溶媒と塩(えん)を含む溶液)の接触界面に形成される正と負に帯電した層のこと。溶媒の中に塩(えん)を溶かすと、塩(えん)は陽イオンと負イオンに電離する。この電解液を2つの電極で挟んで電圧を加えると、陽イオンは負の電圧がかかった電極の方へ、陰イオンは正の電圧がかかった電極の方へ移動して、最終的には電極界面にびっしりと整列する。一方で、それぞれの電極の中ではイオンと反対の電荷を持つ伝導キャリア(電子あるいは正孔)が集まり、全体として電荷中性の状態を保つ。このイオンと伝導キャリアからなる層を電気二重層と呼び、非常に多くの電荷を蓄積できる大容量コンデンサとして使われている。
  3. 電界効果トランジスタ(FET)
    電界によって固体の表面に電荷が集まる効果のことを電界効果と呼ぶ。絶縁体を2つの電極で挟んで電圧を加えると、通常は電圧に比例した量の電荷が電極の表面に現れる。この電極の片方を半導体に置き換えることで、半導体中の電子あるいは正孔の密度を電圧で制御することが可能になる。この原理で半導体の電子の密度を制御して情報をON / OFFするスイッチング素子のことを、電界効果トランジスタと呼ぶ。本研究では、半導体の代わりに強相関酸化物を、絶縁体の代わりに電気二重層を用いた。
  4. 相転移
    物質の化学的あるいは物理的な性質が巨視的なスケールで一様であるとき、その均質な領域を相と呼び、異なる相の間を移り変わることを相転移と呼ぶ。一般に物質は、温度と圧力に依存して異なる相をとる。身近な例として、物質が固体/液体/気体に移り変わる三態変化が挙げられ、水を冷やすと氷になり、加熱すると水蒸気へと変化するのは、典型的な相転移(構造相転移)の一例。他にも、強磁性体と常磁性体の間の磁気相転移、超伝導体と常伝導体の間の超伝導転移、などがある。本研究で用いたVO2は、絶縁体と金属の間で構造の変化を伴った相転移を示す物質である。
  5. イオン液体
    室温で溶けている液体の塩(えん)のこと。塩化ナトリウム(食塩)など通常の無機塩(えん)は、常温下では固体で、水などの溶媒に溶かすことで初めて電解液として利用することができる。一方、イオン液体は常温で液体状態にあり、溶媒に溶かすことなく電解液として用いることができる。溶融塩とも呼ぶ。
  6. ホール効果
    固体中を流れる電流の垂直方向に磁場をかけると、電流と磁場の両方に直行する方向に、電子の密度に反比例した起電圧が生じる。これを発見者の名前を取ってホール効果と呼び、固体中を動く電子の密度を見積もる目的で幅広く利用されている。
  7. 大型放射光施設SPring-8
    理研が所有する兵庫県の播磨科学公園都市にある世界最高の放射光を生み出す施設。その運転管理と利用者支援は高輝度光科学研究センターが行っている。SPring-8の名前はSuper Photon ring-8 GeVに由来。放射光とは、電子を光とほぼ等しい速度まで加速し、電磁石によって進行方向を曲げた時に発生する強力な電磁波のこと。SPring-8では、この放射光を用いて基礎科学から産業利用までの幅広い研究が行われている。

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固体全体の電気的性質・結晶構造のON / OFFを可能にするFETの模式図と実際のデバイスの写真

図1 固体全体の電気的性質・結晶構造のON / OFFを可能にするFETの模式図と実際のデバイスの写真

ゲート電極とVO2の間に正の電圧をかける(ON状態)と、イオン液体の陽イオンがVO2の表面にぎっしり貯まる。その結果、VO2全体の電気的性質が絶縁体から金属へ、結晶構造が単斜晶構造から正方晶構造へ変化する。

FETの ON / OFF状態における抵抗の温度変化

図2 FETの ON / OFF状態における抵抗の温度変化

OFF状態では室温付近(300K)で相転移が起こり、抵抗が急激に変化する。低温側では電子が動きにくくなっており(局在化)、温度の減少と共に抵抗が上がる絶縁体の特徴を示す。それに対して、ON状態では相転移が起こらず、抵抗が温度にほとんど依存しない金属の特徴を示す。わずか1 Vほどの電圧で両者を切り替えることが可能。横軸は絶対温度ケルビン(K)で、273.15 K = 0 ℃

電界効果で加えた電子の数と、実際に動いている電子の数の比較

図3 電界効果で加えた電子の数と、実際に動いている電子の数の比較

ゲート電圧を加えると、電界効果でVO2の表面に電子が貯まる。通常のFETでは、この電子の数と実際に動いている電子の数は一致する。しかしVO2の場合、加えた電子の数よりもはるかに多い数の電子が動いている。その密度を計算すると、バナジウム原子の密度とおおよそ一致することから、VO2の内部にもともと存在しながらも反発しあって動けなくなっていた局在電子が、表面に電子を貯めることで動き始めたことが分かる。

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