詳細PDF版 - 物質・材料研究機構

同 時 発 表 :
筑 波 研 究 学 園 都 市 記 者 会 ( 資 料 配 布 )
文 部 科 学 記 者 会 ( 資 料 配 布 )
科 学 記 者 会 ( 資 料 配 布 )
ナノの 積 木 細 工 で 世 界 最 小 の 強 誘 電 体
— 究 極 のメモリ 実 現 に 向 けた 新 しい 道 —
概 要
平 成 22 年 10 月 26 日
独 立 行 政 法 人 物 質 ・ 材 料 研 究 機 構
独 立 行 政 法 人 科 学 技 術 振 興 機 構
1. 独 立 行 政 法 人 物 質 ・ 材 料 研 究 機 構 ( 理 事 長 : 潮 田 資 勝 ) 国 際 ナノアーキテクト
ニクス 研 究 拠 点 ( 拠 点 長 : 青 野 正 和 )の 長 田 実 MANA 研 究 者 、 佐 々 木 高 義 主
任 研 究 者 らの 研 究 グループは、 分 子 レベルの 薄 さのナノ 物 質 ( 酸 化 物 ナノシー
ト) 1) を 使 ったナノの 積 木 細 工 で、 世 界 最 小 の 強 誘 電 体 の 開 発 に 成 功 した。
2)
2. 強 誘 電 体 は、 絶 縁 体 の 一 種 で、 外 部 より 与 える 電 圧 の 向 きに 応 じて 電 気 分 極
のプラス、マイナスが 反 転 し、しかも 電 圧 がゼロとなっても 分 極 が 保 たれる 性
質 を 持 つ 物 質 である。この 性 質 を 利 用 した 強 誘 電 体 メモリ 3) は、 高 速 書 き 換 え
が 可 能 、 電 源 を 切 っても 記 憶 内 容 が 消 えない、 消 費 電 力 が 尐 ないなどの 優 れた
特 徴 があり、ユビキタス 社 会 の 基 盤 となる「 究 極 のメモリ」として 期 待 されて
いる。 強 誘 電 体 メモリの 高 機 能 化 には、 強 誘 電 体 の 薄 膜 化 が 必 要 不 可 欠 である
が、 従 来 の 材 料 では、ナノレベルまで 薄 膜 化 すると 分 極 特 性 が 低 下 するという
問 題 があり、これがメモリ 開 発 の 大 きな 障 害 となっていた。
3. 今 回 、 研 究 グループは、ナノレベルで 機 能 する 強 誘 電 体 を 開 発 する 新 しい 手 法
4)
として、 子 供 のブロック 遊 びのように、ナノ 物 質 で 積 木 細 工 をする 人 工 超 格 子
技 術 に 注 目 した。2 種 類 の 酸 化 物 ナノシート(Ca 2 Nb 3 O 10 、LaNb 2 O 7 )を 合 成
し、ナノの 積 木 細 工 で、2 種 類 を 交 互 に 積 み 重 ねた 人 工 超 格 子 を 作 製 した。さ
らに、 強 誘 電 性 実 現 のためのひと 工 夫 として、プラスに 帯 電 した 分 子 をのりに
して、ナノシート 同 士 をつなぎ 合 わせ、 接 合 界 面 付 近 のイオンが 変 位 し、 分 極
しやすくなるような 環 境 を 整 えた。そして 作 製 した 人 工 超 格 子 が、 実 際 に 強 誘
電 体 になることを 発 見 した。この 人 工 超 格 子 は、 世 界 最 小 レベルの 膜 厚 10ナ
ノメートルの 極 薄 膜 ながら、 室 温 で 優 れた 強 誘 電 性 を 示 すことを 確 認 した。
4. 今 回 の 成 果 は、 強 誘 電 体 ナノ 材 料 の 開 発 に 向 けて 新 たな 設 計 指 針 を 与 えると 同
時 に、 強 誘 電 体 ナノ 薄 膜 が 持 つ 低 電 圧 動 作 という 特 徴 を 利 用 した 低 消 費 電 力 型
メモリやICカードへの 応 用 展 開 が 期 待 される。
5. 本 研 究 は、 独 立 行 政 法 人 科 学 技 術 振 興 機 構 戦 略 的 創 造 研 究 推 進 事 業 チーム 型 研
究 (CREST)「ナノ 科 学 を 基 盤 とした 革 新 的 製 造 技 術 の 創 成 」 研 究 領 域 ( 研
究 総 括 : 堀 池 靖 浩 )における 研 究 課 題 「 無 機 ナノシートを 用 いた 次 世 代 エレク
トロニクス 用 ナノ 材 料 / 製 造 プロセスの 開 発 」( 研 究 代 表 者 : 佐 々 木 高 義 )の 一
環 として 行 われたもので、ACS NANO 誌 ( 米 国 化 学 会 発 行 )のオンライン
速 報 版 に 近 日 中 に 掲 載 される 予 定 である。

【 研 究 の 背 景 】
強 誘 電 体 は、 絶 縁 体 の 一 種 で、 外 部 より 与 える 電 圧 の 向 きに 応 じて 電 気 分 極 のプラ
ス、マイナスが 反 転 し、しかも 電 圧 がゼロとなっても 分 極 が 保 たれるというユニーク
な 性 質 を 示 す 物 質 である。 代 表 的 な 物 質 には、チタン 酸 バリウムやジルコン 酸 チタン
酸 鉛 (PZT) 5) などがあり、メモリ、キャパシタ、センサ、 圧 電 素 子 、 光 学 素 子 な
ど、 多 種 多 様 な 電 子 デバイスに 応 用 されており、 現 代 の 電 子 技 術 に 欠 かせないものと
なっている。 中 でも、 強 誘 電 体 を 利 用 したメモリ(FeRAM)は、 高 速 書 き 換 えが
可 能 、 電 源 を 切 っても 記 憶 内 容 が 消 えない、 消 費 電 力 が 尐 ないなどの 優 れた 特 徴 があ
るため、ユビキタス 社 会 の 基 盤 となる「 究 極 のメモリ」として 期 待 されている。こう
した 強 誘 電 体 メモリの 高 機 能 化 のためには、ナノレベルの 膜 厚 で 安 定 に 動 作 する 強 誘
電 体 薄 膜 の 利 用 が 不 可 欠 である。しかしながら、 現 在 候 補 材 料 となっているPZTな
どの 強 誘 電 体 は、 使 用 中 に 強 誘 電 体 薄 膜 の 分 極 特 性 が 徐 々に 変 化 するという 安 定 性 の
問 題 や、ナノレベルまで 薄 膜 化 すると 分 極 特 性 が 低 下 するという 動 作 限 界 の 問 題 があ
り、メモリ 開 発 の 大 きな 障 害 となっていた。
【 研 究 成 果 の 内 容 】
今 回 、 研 究 グループは、ナノレベルの 膜 厚 で 安 定 に 動 作 する 強 誘 電 体 を 開 発 する 新
しい 手 法 として、 子 供 のブロック 遊 びのように、ナノ 物 質 を 使 って 積 木 細 工 をする 人
工 超 格 子 技 術 ( 図 1)に 注 目 した。 人 工 超 格 子 技 術 とは、 江 崎 玲 於 奈 博 士 によって 発
明 された 技 術 で、 複 数 の 種 類 の 結 晶 格 子 を 重 ね 合 わせ、 積 層 の 厚 さの 加 減 や 原 子 の 種
類 の 選 択 により、 電 気 特 性 を 自 由 に 制 御 することができる 技 術 である。 今 回 、 研 究 グ
ループは、この 人 工 超 格 子 技 術 を、 分 子 レベルの 薄 さのナノ 物 質 ( 酸 化 物 ナノシート)
に 応 用 し、 強 誘 電 体 でないナノ 物 質 の 重 ね 合 わせから、 世 界 最 小 の 強 誘 電 体 の 開 発 に
成 功 した。
今 回 の 実 験 には、PZTと 類 似 した 構 造 を 持 つ、2 種 類 のペロブスカイトナノシー
ト(A=Ca 2 Nb 3 O 10 、B=LaNb 2 O 7 )を 用 いた。 室 温 での 化 学 処 理 により、 層 状 酸 化
物 (KCa 2 Nb 3 O 10 、KLaNb 2 O 7 )の 粉 体 試 料 を 層 1 枚 までバラバラにはく 離 し、 厚 み
1〜2nm、 横 サイズ 約 10μmのシート 状 形 状 を 有 する2 種 類 のペロブスカイトナ
ノシート(A=Ca 2 Nb 3 O 10 、B=LaNb 2 O 7 )を 作 製 した( 図 2)。このナノシートは、
水 に 分 散 したコロイド 溶 液 として 得 られるため、 環 境 にやさしい 水 溶 液 プロセスを 用
いたナノの 積 木 細 工 で、ナノシートを1 層 ずつ 精 密 に 積 み 重 ね、A, B を 交 互 に 積 層 し
た 人 工 超 格 子 を 作 製 した( 図 3)。さらに、 強 誘 電 性 実 現 のためのひと 工 夫 として、
プラスに 帯 電 した 分 子 をのりにして、ナノシートを 静 電 的 につなぎ 合 わせた。これに
より、 電 圧 をかけた 時 に 接 合 界 面 付 近 のイオンが 変 位 し、 分 極 しやすくなるような 構
造 にして、 強 誘 電 体 に 好 都 合 な 環 境 を 整 えた。
この 超 格 子 に 対 して 特 性 評 価 を 行 ったところ、A や B だけを 並 べた 多 層 膜 では 強 誘
電 性 を 示 さないのに 対 して、A と B を 交 互 に 並 べた 人 工 超 格 子 では、 実 際 に 強 誘 電 体
になることを 発 見 した。この 人 工 超 格 子 は、 室 温 で 安 定 な 強 誘 電 ヒステリシスを 示 し、
世 界 最 小 レベルの 膜 厚 10nmながら 極 めて 強 固 な 強 誘 電 性 を 示 すことが 分 かった
( 図 4)。
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【 波 及 効 果 と 今 後 の 展 開 】
今 回 の 成 果 は、ナノ 物 質 の 組 み 合 わせで 強 誘 電 体 が 実 現 することを 証 明 した 初 めて
の 例 であり、 強 誘 電 体 ナノ 材 料 の 開 発 に 向 けて 新 たな 設 計 指 針 を 与 えると 同 時 に、 強
誘 電 体 ナノ 薄 膜 が 持 つ 極 薄 、 低 電 圧 動 作 という 特 徴 を 利 用 した 低 消 費 電 力 メモリやI
Cカードへの 応 用 展 開 が 期 待 される。
また、 今 回 用 いたプロセスは、 従 来 の 薄 膜 プロセスの 主 流 である 大 型 の 真 空 装 置 や
高 価 な 成 膜 装 置 を 必 要 としない 低 コスト、 低 環 境 負 荷 プロセスを 実 現 しており、 熱 処
理 を 必 要 とせず 室 温 で 強 誘 電 体 薄 膜 を 作 製 することができる。このため、 従 来 の 薄 膜
プロセスでは 困 難 とされていたガラス 基 板 上 への 透 明 強 誘 電 体 膜 の 製 膜 やプラスチ
ック 基 板 上 へのフレキシブル 強 誘 電 体 デバイスの 作 製 も 可 能 である。さらに、 今 回 の
技 術 は、 鉛 などの 毒 性 元 素 を 含 まない、 環 境 に 優 しい 材 料 で 強 誘 電 体 を 実 現 している。
以 上 の 点 、 今 回 の 技 術 は、エネルギー 節 約 や 地 球 環 境 保 護 に 貢 献 する 次 世 代 のグリー
ンプロセス、エコ 材 料 技 術 としても 重 要 な 役 割 を 果 たすことが 期 待 される。
< 発 表 論 文 名 >
Engineered Interfaces of Artificial Perovskite Oxide Superlattices via Nanosheet Deposition
Process(ナノシート 製 膜 プロセスによるペロブスカイト 酸 化 物 人 工 超 格 子 のエンジニ
アリングした 界 面 )
【お 問 い 合 わせ 先 】
< 研 究 内 容 に 関 すること>
独 立 行 政 法 人 物 質 ・ 材 料 研 究 機 構
国 際 ナノアーキテクトニクス 研 究 拠 点 ソフト 化 学 グループ
長 田 実 (おさだ みのる)
TEL:029-860-4352 E-mail:osada.minoru@nims.go.jp
科 学 技 術 振 興 機 構 イノベーション 推 進 本 部 研 究 領 域 総 合 運 営 部
長 田 直 樹 (ながた なおき)
〒102-0075 東 京 都 千 代 田 区 三 番 町 5 三 番 町 ビル
TEL:03-3512-3524 FAX:03-3222-2064 E-mail:crest@jst.go.jp
< 報 道 に 関 すること>
独 立 行 政 法 人 物 質 ・ 材 料 研 究 機 構 広 報 室
〒305-0047 茨 城 県 つくば 市 千 現 1-2-1
TEL:029-859-2026 FAX:029-859-2017
科 学 技 術 振 興 機 構 広 報 ポータル 部
〒102-8666 東 京 都 千 代 田 区 四 番 町 5 番 地 3
TEL:03-5214-8404 FAX:03-5214-8432 E-mail:jstkoho@jst.go.jp
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【 用 語 説 明 】
1) 酸 化 物 ナノシート
層 状 酸 化 物 をソフト 化 学 的 な 処 理 により 結 晶 構 造 の 基 本 最 小 単 位 である 層 1 枚
にまで 剥 離 することにより 得 られる、 本 研 究 グループ・オリジナルのナノ 物 質 。
2) 電 気 分 極
物 質 内 の 一 方 の 表 面 にプラス 電 荷 が、もう 一 方 の 表 面 にマイナス 電 荷 が 生 じ、
電 荷 に 偏 りがある 状 態 。
3) 強 誘 電 体 メモリ(FeRAM:Ferroelectric Random Access Memory)
強 誘 電 体 の 特 徴 である、 外 部 より 与 える 電 圧 の 向 きに 応 じて 電 気 分 極 が 反 転 し、
しかも 電 圧 がゼロとなっても 分 極 が 保 たれる 性 質 を 利 用 し、プラスとマイナス
の 自 発 分 極 を 1 と 0 に 対 応 させた、 不 揮 発 性 半 導 体 メモリ。メインメモリやI
Cカードへの 応 用 が 期 待 されている。
4) 人 工 超 格 子
江 崎 玲 於 奈 博 士 によって 発 明 された 物 質 で、 複 数 の 種 類 の 結 晶 格 子 の 重 ね 合 わ
せにより、その 周 期 構 造 が 基 本 単 位 格 子 より 長 くなった 結 晶 格 子 。 近 年 の 薄 膜
作 製 技 術 の 進 歩 により、 原 子 層 オーダーでの 制 御 が 可 能 となっており、 金 属 、
半 導 体 、 酸 化 物 など 様 々な 物 質 の 新 材 料 、 新 機 能 の 創 製 に 利 用 されている。
5) ジルコン 酸 チタン 酸 鉛 Pb(Zr,Ti)O 3 (PZT)
化 学 式 Pb(Zr,Ti)O 3 で 表 わされるペロブスカイト 構 造 をもつ 強 誘 電 体 。 東 京 工
業 大 学 の 高 木 豊 、 白 根 元 、 沢 口 悦 郎 らにより 1952 年 に 発 見 された。 巨 大 な 誘 電
率 および 圧 電 性 、 強 誘 電 性 を 持 ち、 特 に、その 大 きな 圧 電 性 からアクチュエー
タやセンサなどの 圧 電 素 子 に 多 く 利 用 されている。また、 強 誘 電 体 メモリ
(FeRAM) への 応 用 研 究 も 活 発 に 行 われている。 鉛 を 含 有 する 特 定 有 害 物 質 であ
るが、 現 在 のところ 圧 電 材 料 として PZT を 代 替 できるほどの 特 性 を 持 った 材 料
が 他 にないため、RoHS 指 令 の 適 用 免 除 対 象 となっている。
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【 参 考 図 面 】
図 1. 人 工 超 格 子 技 術 のイメージ 図 .
( 上 )レゴブロックを 使 った 子 供 の 人 工 超 格 子 技 術 .
( 下 ) 酸 化 物 ナノシートを 使 った 大 人 の 人 工 超 格 子 技 術 .
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図 2. 強 誘 電 体 作 製 に 用 いたペロブスカイトナノシートの 構 造 の 模 式 図 .
( 左 )3 層 型 層 状 ペロブスカイト Ca 2 Nb 3 O 10 ( 以 下 、A)
( 右 )2 層 型 層 状 ペロブスカイト LaNb 2 O 7 ( 以 下 、B)
図 3. 酸 化 物 電 極 (SrRuO 3 ) 上 に 作 製 した 人 工 超 格 子 の 透 過 型 電 子 顕 微 鏡 像 .
2 種 類 のペロブスカイトナノシート A、B が 交 互 に 積 層 した 高 品 位 の 人 工 超 格
子 を 形 成 している.また、 赤 外 吸 収 を 用 いた 分 析 の 結 果 、この 超 格 子 では、A
と B がアンモニウムイオンを 介 して 静 電 的 に 結 合 し、 界 面 付 近 のイオンが 動 き
やすい、 柔 らかい 界 面 が 実 現 していることを 確 認 した.
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図 4.A, B を 交 互 に 5 層 ずつ 積 層 した 人 工 超 格 子 ( 左 )、A の 10 層 積 層 膜 ( 中 )、B
の 10 層 積 層 膜 ( 右 )の 強 誘 電 ヒステリス 測 定 の 結 果 (A=Ca 2 Nb 3 O 10 、B=
LaNb 2 O 7 ).
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