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2次元層状物質 / スピントロ二クス / スピントロニクス / 遷移金属カルコゲナイド / 半導体

MoS2薄膜の(1)磁化測定と(2)磁気抵抗測定の二つの研究テーマを学部学生と協力して平行して実施した。(1) MoS2薄膜の磁化特性の測定については、研究開始当初からの懸念事項として、基板の反磁性の影響が大きく、適切な磁化測定が阻害される問題があった。これは、基板の厚さがコンマ数ミリであるのに対し、MoS2薄膜は数nm程度と桁違いに薄いためである。まず、これに対する対策を講じた。方法は、通常用いられるシリコン基板(0.3 mm - 0.7 mm)ではなく、一桁薄い0.03mmの極薄基板を特注し、これを用いて薄膜を成膜することによって、磁化を適切に測定することに成功した。その結果、飽和磁化が成膜温度、及び、測定温度に依存して変化することが分かった。測定点を増やし、傾向と系統性を明確にすることで、論文化が可能であると考えられる。(2) MoS2薄膜の磁気抵抗測定については、ノンドープ半導体は4Kにおいては抵抗が非常に大きくなるため、まず低抵抗薄膜の作製方法を模索する必要があった。その方策として、膜厚をやや厚めの7 nm - 8 nmに設定し、表面とボトムからの空乏化の影響を抑止した。さらに、成膜時基板温度を低下させ、また、成膜時のAr分圧を下げることで結晶欠陥を生じさせ、キャリアドーピングを施した。加えて、電極材料を選定した。その理由は、電極材料によってコンタクト抵抗が異なることが知られているからである。仕事関数が真空準位とMoS2の伝導体下端の差に近いものが良いとされていることから、アルミニウムと銀を試行した。アルミニウムでは低温で抵抗の発散がみられたが、銀を用いると抵抗は増大したが、電流を流すことが可能な範囲であった。これにより、4Kで磁気抵抗を再現性よく測定することに成功した。

スピントロニクス / 遷移金属カルコゲナイド / 半導体 / 強磁性半導体 / バレートロニクス

強磁性半導体は磁性不純物をドーピングすることで半導体を強磁性にしている。キュリー温度を上げるためには、磁性不純物濃度を増大させる必要があるが、一方で電子移動度の低下をまねいてしまう。遷移金属カルコゲナイドMoS2は、シリコンを超える次世代半導体としての期待があり、多結晶グレイン境界や格子欠陥を含むと強磁性を示すことが知られており、ドーピングフリー強磁性半導体として期待ができる。本研究では、まずスパッタ法により、多結晶MoS2の成膜に成功し、アトミックスケールの層状構造が形成されていることを確認した。さらに、磁化測定を実施し、大きい飽和磁化を観測することに成功した。

遷移金属カルコゲナイド層状物質MoS2は、典型的な磁性不純物を含まず、通常の単結晶では
非磁性(反磁性)である。多結晶や格子欠陥など、構造を変化させるだけで強磁性を示すようになるなど、物質の知られざる性質をつまびらかにすることが出来た。遷移金属カルコゲナイド層状物質群は、ツイスト2層構造や1次元ヘテロ構造、ファンデアワールスレゴブロックなど、同一の物質であっても構造やナノスケールの形状パターンの組み合わせにより、その性質が大きく変化する例がいくつも挙げられている。本研究が新たな材料物質の設計トレンドの形成に一役担うだけの意義のあるものであると考える。