リサーチハイライト

酸化物薄膜は、高耐熱性や高耐食性などの表面コーティングから太陽電池やトランジスターなどの電子デバイスまで、さまざまな用途に利用されている。特に酸化物薄膜が電子材料として有用である理由の一つに、導電性や透明性をはじめとする主要な機能的特性を自由自在に調節できる点が挙げられる。一般に酸化物は、結晶構造や組織、組成を変えたり、異なる原子を「ドーピング（添加）」したりすることで、高絶縁性から高導電性へと変化させることができる。

このたび、東北大学原子分子材料科学高等研究機構(AIMR)のZhongchang Wang（王中長）助教は、幾原雄一教授および川崎雅司教授の研究室や、東京大学およびファインセラミックスセンター（JFCC）と共同で、従来では考えられなかった画期的な方法で絶縁体である酸化物を導電性にできることを実証した¹。

研究チームは、ランタン、ストロンチウム、チタンを含む層状構造をもつ酸化物薄膜の導電性に関する研究を行った。この薄膜は、パルスレーザー堆積法を用いて、1 原子層ずつ設計どおりに原子を積み重ねて作製したものである。研究者らは、電子機器のコンデンサーによく用いられるチタン酸ストロンチウム（SrTiO₃）というセラミックスの絶縁体層の数を増やしていくと、酸化物の導電性がどのように変化するかを調べた。その結果、絶縁体層の数が増えるにつれ、酸化物薄膜が絶縁体から導電体へと遷移するという意外な事実が明らかになった。導電性を向上させる標準的な方法は電荷を担う電子を生み出すドーピングだが、今回、その電子の密度が変化することなく導電性が生じたため、この状態がドーピングに起因するものではないことを示している。

具体的には、王助教らは原子識別が可能な高性能の走査透過電子顕微鏡法（図1）と計算機シミュレーションを併用して、絶縁体層の数を増やしていったときの酸化物薄膜における導電性と構造の関連性を原子レベルで調べた。その結果、絶縁体層が増えるにつれて、酸化物薄膜を構成する結晶格子のゆがみや原子間結合のひずみが少なくなることが明らかになった。材料にゆがみやひずみがあると、電子同士の反発や電子と格子の相互作用に影響を及ぼし、電子の密度に関係なく材料が絶縁性になってしまう。研究者らは、絶縁体層を増やすことで材料の構造を緩和してひずみの少ない状態にすることにより、導電性を高めることに成功した。データは、この驚くべき挙動の原因が、酸化物薄膜内部の絶縁体間に伝導キャリアである電子を2 次元面内に閉じこめた伝導体層(2次元電子ガス層)の形成にあることを示している。

今回の結果は、通常なら絶縁体になると予想される材料に金属的性質を導入するための新しい方法を提示しており、研究チームは今後、酸化物などの絶縁体材料における超伝導や熱電材料の探索が加速することを期待している。「現時点での私たちの最優先事項は、この酸化物の結晶格子のゆがみやひずみ、ミクロな構造欠陥を減らして電荷キャリアの運動の障壁を低減することにより、より高導電化さらには超伝導現象を誘発できるかどうか検討することです」と王助教は話す。研究者らは、この材料は導電性を高めることにより高移動度トランジスターや熱電変換素子にも利用できると考えている。