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-

EDLTの模式図と実際のデバイスの写真

物質の化学的・物理的性質が一様で均質な部分(領域)を「相」といい、温度や圧力などの変化によって異なる相の間を移動することを「相転移」と呼びます。といってもちょっと難しいですね。では「水を冷やすと氷になり、加熱すると水蒸気になるのが相転移」なら、お分かりになっていただけるでしょうか。

基幹研究所の研究者らのグループは、金属であり、電子が多量に存在するにもかかわらず電気を通さない性質をもつ「強相関酸化物」を使い、温度や圧力ではなく、乾電池ほどの小さな電圧で、その電気的な性質や結晶構造を劇的に変化させる(相転移させる)ことに成功しました。

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、磁石を近づけたり、光を当てたり、圧力を加えたりすると、相転移を起こして金属のように電気を流す状態になったり、磁石の性質をおびた状態に変化したりします。しかし、この相転移を電圧で制御した例はありませんでした。

研究グループは、強相関酸化物(二酸化バナジウム)と、固体と電解液(食塩水のようなもの)の接触面(界面)にできる帯電した層である「電気二重層」の大きな電界を利用し、それを電界効果トランジスタ(FET)に応用した電気二重層トランジスタ(EDLT)を開発しました。室温で、このEDLTに1Vの電圧を加えたところ、二酸化バナジウムの電気抵抗が約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。また、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を利用した実験でとらえました。

FETは、電圧によって電気抵抗のスイッチを行う素子ですが、より微細化・高集積化が望まれており、従来の半導体を用いた方法では限界があるとされています。わずかな電圧で絶縁体と金属、さらには物質の結晶構造をスイッチできるという今回の成果は、強相関酸化物を使った超低消費電力の電子デバイスへの応用につながります。強相関エレクトロニクスという新分野の創出もすぐそこに来ています。

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)