【研究分野】薄膜・表面界面物性

【研究領域課題番号】16K04966 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

in-situ XRD / 結晶化 / 不純物添加 / 界面 / 薄膜 / In-situ XRD / 結晶成長 / 先端機能デバイス / 計算物理 / 半導体物性 / 物性実験

【研究成果の概要】

アモルファスIGZO, IGO, In2O3薄膜の結晶化機構をIn-situ XRDと高分解能TEMによって解明した。10％程度のSnやGaの添加ではIn2O3本来の結晶構造であるビックスバイトに結晶化するが、Zn添加やZn, Gaの供添加の場合はアモルファス構造から層状構造であるホモロガスIZO, IGZO構造になった。TEMによる詳細な構造解析と放射光を利用したin-situ XRDの測定により、アモルファス In2O3薄膜の結晶化過程とその配向、並びに不純物Sn, Ga、Znの添加の影響を調べ、結晶化の活性化エネルギーの変化を定量的に解析しAvramiの式を用いて解釈した。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2016-10-21 - 2019-03-31

【配分額】4,810千円 (直接経費: 3,700千円、間接経費: 1,110千円)

【研究分野】電子・電気材料工学

【研究領域課題番号】21360150 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

強誘電体 / 強磁性体 / マルチフェロイック / 薄膜 / レーザアブレーション / 磁場 / 強誘電性 / 強磁性 / 物性実験 / 電子・電気材料 / 結晶成長 / 磁性 / 誘電物性

【研究成果の概要】

マルチッフェロイックBiFeO_3は室温で大きな誘電ヒステリシス持つが、反強磁性のため磁化ヒステリシスは小さく、磁気電気効果も非常に小さい。そこで、BiFeO_3やFeを金属Mで置換したBiFe_<1-x> M_xO_3を磁場印加してレーザアブレーションにより薄膜化したり、磁場下での熱処理により、強誘電性を保ちつつ、異種元素のスピンを反平行整列、欠陥生成や微小組織構造により、磁性を大きくして、磁気電気効果の増大を図る。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2009 - 2011

【配分額】18,590千円 (直接経費: 14,300千円、間接経費: 4,290千円)

【研究分野】触媒・資源化学プロセス

【研究領域課題番号】17656260 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ゼオライト / 単結晶 / 薄膜 / 核発生 / 結晶成長 / ホスト / ゲスト / エピタキシャル

【研究成果の概要】

分子サイズの空間を有するゼオライトは触媒、吸着剤として幅広く実用化されており、その薄膜も分子認識機能を有するセンサーや分離膜としての利用に期待が集まっている。一方で、マイクロ多孔性材料は、さまざまなナノ構造を作製する上での「ホスト」・「鋳型」として利用することに期待されている。これらを達成するためには、従来の多結晶の薄膜ではなく、粒界が存在せずに、細孔が特定の報告に完全に配向した単結晶薄膜の創出が不可欠である。本研究においては、既に実用化されているセンチメーターレベルの単結晶基板を用い、ゼオライト及びその類縁物質の単結晶薄膜を合成すること並びにこれらをホストとしてナノ構造体を創出することを目指す。初年度は格子の整合する基板の利用や基板表面への構造規剤分子の固定を検討したが、いずれも目的とするゼイライト薄膜の製膜に到らなかった。
そこで本年度は以下の2つの方法で検討を進めた。そこで本年度は、まずゲル中での結晶核生成前後のナノ粒子の配向付着の可能性を検討した。様々なサイズのパターンを有する基板表面で核生成をさせることで、核の配向付着の可能性を探ったが、必ずしもパターンの構造が薄膜の構造を支配するには到らなかった。
そこで、基板そのものをゼオライトに転換する方法を開発し、パターン化した基板をゼオライトに転換することで、核の配向を制御することを考えた。シリコンウェファーを素材とし、その表面にテトラプロピルアンモニウム水酸化物(TPAOH)をコーティング、乾燥後、水蒸気下で処理することで、シリコンをSi-ZSM-5に転換することに成功した。パターン化処理を施していないSiに対しては、面外にb軸配向した薄膜を合成することに成功した。現在パターン化し表面での検討を行っている段階である。同法で配向核を形成し、それをエピタキシャル成長させることで目的とする構造を形成できるものと考えている。

【研究種目】萌芽研究

【研究期間】2005 - 2007

【配分額】3,400千円 (直接経費: 3,400千円)

【研究分野】金属物性

【研究領域課題番号】14350339 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

サーファクタントエピタキシー / 薄膜 / 金属多層膜 / 結晶成長 / シーディッドエピタキシー / 巨大磁気抵抗効果 / スパッタ蒸着 / Surfactant Epitaxy / Thin Films / Metallic multilayer / Crystal Growth / Seeded Epitaxy / Giant Magnetoresistance / Sputter Deposition / Surfactant epitaxy / Giant magnetoresistance / Seeded epitaxy / metallic multilayer / Giant magnetoresitance

【研究成果の概要】

サーファクタント媒介エピタキシー法を主にFe/Cr金属多層膜に適用し、同手法のメカニズム解明に寄与すると共に良質のヘテロ界面を実現した。以下にその概要を示す。
Fe(100)面上のFeのホモエピタキシャル成長、及びCrのヘテロエピタキシャル成長にBiをサーファクタントして用いてその効果を調べた。その結果、Biサーファクタントはそれら蒸着原子の表面拡散を抑制し、ステップでの層間移動を容易にさせることで層状成長を促進させる効果があることを見いだした。また、最も効果的に層状成長を促進させるBi原子の蒸着量には最適値が存在することが判明した。薄膜成長中にBiが効果的に表面偏析していることも確認され、Biがサーファクタントとして効果的に働いていることが確認された。
以上の結果を踏まえて、分子線エピタキシャル装置(MBE)とスパッタ装置の双方を用い、BiサーファクタントをFe/Cr多層膜作製時に適用したところ、微量のBiがサーファクタントとして効果的に働き、Fe/Cr多層膜の層状成長を促進させていることが確認された。Biを用いて作製したFe/Cr多層膜の界面構造は、Biを用いないで作製したFe/Cr多層膜の界面構造よりも急峻であり、磁気抵抗比も増大した。これらの結果から、サーファクタントにより界面構造が急峻になることで巨大磁気抵抗(GMR)効果が大きくなることが判明した。
Au/Co、Cu/Co等のFe/Cr以外の系におけるサーファクタント効果についても同様に研究を行った。その結果、Fe/Cr系の場合と同様に、サーファクタントが蒸着原子の表面拡散を抑制することで層状成長を促進することが判明した。これらの結果から、サーファクタントは金属多層膜の界面構造を制御する場合には非常に効果的であり、且つ界面構造を制御することで、多層膜の磁気特性を人工的に制御可能であることが本研究から導き出された。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2002 - 2004

【配分額】14,900千円 (直接経費: 14,900千円)

【研究分野】反応・分離工学

【研究領域課題番号】06750788 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ゼオライト / 化学輸送法 / 薄膜 / 製膜 / 核発生 / 結晶成長

【研究成果の概要】

本研究では単結晶ゼオライト薄膜の創製のための新しいプロセスである「化学輸送法」を開発することを目的とする。単結晶薄膜を得るには「核発生」と「結晶成長」のプロセスを制御する必要がある。半導体プロセスにおいてはCVD,PVDにより比較的制御性よく種々の薄膜が得られているが、この成功は化学種を気相(流通している流体)より固体表面に輸送-反応-析出させる形態をとっているためであると考えた。そこでこの考え方を液相法である水熱合成に適用することを試みた。
まず通常の水熱合成法を用いて、水晶基板上にMFI型のゼオライト(Silicalite-I,ZSM-5)の合成を検討した。反応温度175℃で透明な溶液系から多結晶膜を合成可能な条件を見いだすことに成功した。そこでこの知見をもとに高圧下で流通型の製膜装置を試作し、多結晶膜の合成を検討した。基板は外径1/2インチステンレスチューブ内にテフロンを用いて固定することとし、マントル型のヒーターを用いて外部より加熱した。液体クロマトグラフィー用のポンプを用いて、前述の透明な溶液を175℃の平衡蒸気圧よりも大きい20-30気圧で注入し、水晶基板上での製膜を行った。この際に圧力と流量はポンプの押し込み条件と反応器出口のニードルバルブを調節して設定した。これまでに最高10時間までの連続合成を行ったが、生成物が得られていないため、現在溶液組成、基板表面処理、繰り返し合成の影響を検討中である。

【研究種目】奨励研究(A)

【研究期間】1994

【配分額】900千円 (直接経費: 900千円)

【研究分野】高分子構造物性(含繊維)

【研究領域課題番号】04302055 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

高分子結晶 / 結晶成長 / 平衡融解温度 / 高次構造 / モルフォロジー / レジーム転移 / 核形成 / 薄膜 / 剛直性高分子 / ブレンド / 界面 / 平衝融取温度 / 糀形成

【研究成果の概要】

1.高分子の結晶化と高次構造形成過程は過冷却度が重要なパラメータとして記述されるので結晶の平衡融点の確立が重要である。ポリスチレンでは従来の値より20Kも高いことが示された。ポリエチレンでは、精密な相図が三重点も含めて決定された。2.ポリスチレンのラメラでは結晶芯が著しく薄く、このラメラの増殖・分岐がラセン転位により起こり、球晶の形成が行なわれることが示された。融液成長の電子顕微鏡による直接観察が初めて行なわれ、結晶-融液界面が薄く成長速度が遅くなっていることが見出された。3.ポリエチレンの融液・溶液成長の精密な実験が行なわれ、単一核成長(レジームI)から多数核成長(レジームII)への転移には六角形からレンズ形への形態変化を伴うことが示された。4.剛直性高分子であるポリパラフェニレンベンゾビスチアゾールとポリテトラフルオロエチレンでは、結晶化温度とモルフォロジーが明らかにされた。すなわち、foldが不可能のため、分子鎖方向に伸びたフィブリルが高次構造であるが、結晶化温度・熱処理温度が高くなると分子鎖に垂直方向に伸びたフィブリルが発達する。5.共重合体として強誘電性高分子であるフッ素系高分子の分極構造が明らかにされた。この構造は世界で初めて観測されたもので、高分子強誘電体が通常の強誘電体と同じカテゴリに入ることが示された。また、PETを含む共重合体の共結晶化が発見された。6.混合系では結晶性と非晶性の高分子の混合系(PEO/PMMA,PVDF/PMMA,PCL/PVME)の結晶化とラメラ構造・球晶が研究され、これらの構造形成に高分子の拡散の効果が重要であることが指摘された。7.結晶の形と厚さについての理論とシミュレーションは実験結果を定性的に再現し、定量的に比較する段階に到達した。

【研究種目】総合研究(A)

【研究期間】1992 - 1993

【配分額】1,700千円 (直接経費: 1,700千円)