詳細PDF版 - 物質・材料研究機構

【 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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