当研究室では 半導体や超伝導体や強磁性体など興味深い電気・磁気的性質(物性)をもつ固体の研究を行っています。固体の電気・磁気物性は電子やホールなど電気伝導を担う伝導キャリアの 濃度によって大きく変化します。 我々は独自に開発した電気二重層トランジスタという電子デバイス によって固体中の伝導キャリアを制御し、新しい材料や新しい機能性デバイスの実現を 目指して研究を行っています。

新しい超伝導体、とりわけ高温超伝導体の発見 は物性物理学の観点からも超伝導応用の観点からも大きなインパクトを持ちます。 当研究室では電場誘起により伝導キャリアを作り出す「電界効果ドーピング」により新しい超伝導体の実現を目指しています。2008年に絶縁体への電場誘起超伝導を初めて報告、 2011年には新規超伝導体タンタル酸カリウム(KTaO₃)を発見しました。

"Electric Field Induced Superconductivity in an Insulator", K. Ueno, et al.,Nature Materials 7, 855 (2008).
"Discovery of superconductivity in KTaO₃ by electrostatic carrier doping", K. Ueno, et al., Nature Nanotechnology 6 408 (2011).
"Field-induced superconductivity in electric double layer transistors", K. Ueno, et al.,
J. Phys. Soc. Jpn., 83, 032001 (2014). doi:10.7566/JPSJ.83.032001

現在は、遷移金属酸化物やカルコゲナイド、化合物半導体などへと研究を展開し、薄膜や界面などのナノ構造の作製と、電場誘起を組み合わせることで、新しい高温超伝導体の発見を目指しています。その中で、実際に、研究室発足後に学生・スタッフが主体となって行った超伝導関連の研究成果を以下に紹介したいと思います。

(1) 鉄系超伝導体薄膜と電解液界面における高温超伝導状態の実現

"Superconductivity at 38 K at an electrochemical interface between an ionic liquid and FeSe_0.8Te_0.2 on various substrates"

Shunsuke Kouno, Yohei Sato, Yumiko Katayama, Ataru Ichinose, Daisuke Asami, Fuyuki Nabeshima, Yoshinori Imai, Atsutaka Maeda, and Kazunori Ueno, Scientific Reports, 8, 14731 (2018).

↑(左)河野さん　(右)佐藤さん

鉄系超伝導体は、2008年に細野らによって発見された高温超伝導体で、従来型の超伝導体と全く異なる新しいクラスに属するとされています。 その中で、鉄カルコゲナイド超伝導体FeSeは、最も簡単な構造を持つため、超伝導の機構を明らかにする上での舞台として爆発的に研究が進んでいます。 また、薄膜にして歪や電子ドープを施す、Teを固溶したFe(Se,Te)にするなどの手法では、バルクでは実現できない高い超伝導転移温度が実現されることが知られてきました。 そこで、本研究では、Fe(Se,Te)に電解液を用いて電子ドープすることで、超伝導転移温度の増大の様子を詳細に調べました。 様々な基板上で成膜したFe(Se,Te)を電気化学的にエッチングして超伝導転移温度の膜厚依存性を調べたところ、数10 nm以上の分厚い膜の状態でも、基板の種類に依らず同じように超伝導転移温度が増強される様子が観測されました(下図d)。 この結果からは、基板と関係なく、電解液とFe(Se,Te)との界面の効果によって超伝導が増強されていることを示しています。 電解液とFe(Se,Te)との間に、高い超伝導転移温度を持つ熱的に非平衡的な相が生成したことを示唆しています。

(2)　電気化学的に得られた鉄系超伝導体で世界最高の超伝導転移温度を実現

"Enhancement of superconducting transition temperature in electrochemically etched FeSe/LaAlO₃ films"

Naoki Shikama, Yuki Sakishita, Fuyuki Nabeshima, Yumiko Katayama, Kazunori Ueno, and Atsutaka Maeda, Appl. Phys. Express, 13, 083006 (2020).

研究(1)では、Fe(Se,Te)の電気二重層トランジスタにおいて、電解液からの影響によって高温での超伝導状態が実現していることを明らかにしました。 さらに本研究では、高い超伝導転移温度の起源が、電子ドープか電気化学反応のどちらで起こっているのかを明らかにしました。 LAO基板上のFeSe薄膜に電気二重層トランジスタを作製し、薄膜をエッチングしたのち、今回は様々なゲート電圧で超伝導にしました。 すると驚くべきことにFeSe薄膜で世界最大の超伝導転移温度(オンセット温度)を達成しました。 さらに、ゲート電圧を印加しない状態でも、高い超伝導転移温度が保持されたことから、FeSe表面での高い転移温度は電子ドープではなく、電気化学反応によって起こっていると結論付けました。 本研究は、優れた応用系の論文として、Advances in engineering 社より"a key scientific article contributing to research excellence"に選出されています。

物質の中のスピンを電気的に制御するスピントロニクスが注目されています。 当研究室では伝導キャリアによって磁性が大きく変化する強磁性半導体 Co:TiO₂のデバイス応用を目指して研究をしてきました。2011年には室温での 常磁性から強磁性への電気的なスイッチングを実現しています。

"Anomalous Hall effect in anatase Ti1-xCoxO2-δ at low temperature regime", K. Ueno, et al., Appl. Phys. Lett., 90, 72103 (2007).

"Electrically-induced ferromagnetism at room temperature in cobalt-doped titanium dioxide" Y. Yamada, K. Ueno, et al., Science 332, 1065 (2011).

2013年からは強磁性金属であるCo極薄膜の磁気的性質を電界効果によって制御する研究や、常磁性金属であるPtを電界効果によって強磁性にする研究をすすめています。 今後はデバイスの応用を進めるとともに、スピン自由度を持つ絶縁体と電界効果を組み合わせることで今までにないスピントロニクス材料・デバイスを開発します。 研究室発足後に学生が主体となって行った磁性関連の研究成果を紹介したいと思います。

(3) 高い誘電体を持つ絶縁体ゲートにより磁石の磁気異方性エネルギーを向上

"Electric field control of magnetic anisotropy in a Co/Pt bilayer deposited on a high-κ SrTiO₃",

Shingo Nakazawa, A. Obinata, Daichi Chiba, and Kazunori Ueno, Appl. Phys. Lett., 110, 062406 (2017).

↑中澤さん

近年、強磁性体(磁石)に対して電場をかけると、電荷蓄積によって、キュリー温度、磁気異方性、保磁力等の強磁性体が持つ重要な性質を制御できることが知られており、消費電力を抑えた磁化制御につながる注目されています。 本研究では、低温で並外れた高い誘電率を持つSrTiO₃単結晶を誘電体として用いてバックゲート構造のトランジスタを作成することで、強磁性体Coの磁気異方性エネルギーを電場制御できることを報告しました(下図aは、Ptキャップ層を含めたPt/Co/SrTiO₃のデバイス模式図)。 さらに、高い誘電率を持つ低温においては、保磁力もゲート電場によって増強されることを示しました。 これらの結果は、高い誘電率を持つ材料を積極的に利用することで、低いゲート電場の下でも比較的大きな磁気異方性エネルギー、保磁力制御を達成できることを示しています。

(4) 結晶の面方位を変える事で磁石の磁気異方性を大きく向上

"Perpendicular magnetic anisotropy and its electric field effect in Co ultrathin films deposited directly on SrTiO₃ (111) surface"

Shingo Nakazawa, Aya Obinata, Daichi Chiba, and Kazunori Ueno, Jpn. J. Appl. Phys., 57, 123001 (2018).

研究(3)に引き続き、本研究では結晶の方位を(100)方向から(111)方向に変えたSrTiO₃表面上[下図の結晶方位のイラスト参照]のPt/Coにおいて、垂直磁気異方性を詳細に調べました。 その結果、SrTiO₃(111)上に作製したPt/Co極薄膜において室温で垂直磁気異方性を実現しました。 さらに、室温から極低温までの全温度領域で、(100)面を持つSrTiO₃基板上の極薄膜と比較して、(111)面上の極薄膜では、電界効果による保磁力変調の効率が高くなることを示しました。 保磁力変調の効率が高いことは、特に低温で垂直磁気異方性エネルギーを変調する効率が高いことを示唆しています。 垂直磁気異方性や保磁力といった磁石が持つ重要な性質が、結晶の面方位を変えるだけで変調できることは、応用だけでなく、基礎物理や材料科学の面からも興味深い現象といえます。

2010年のノーベル物理学賞で注目を浴びたグラフェンに代表されるように、IV族、V族元素がハニカム格子を組んだ構造では、特異的な線形なバンド分散(Dirac cone)を持つことで超高移動度の電子が実現します。 当研究室では、グラフェンの類似構造を持つ半導体に注目して、トランジスタを作製することや、強電場をかけることで量子現象の探索を行っております。 以下に上野研究室の成果を紹介したいと思います。

(5) グラフェンと類縁構造を持つ半導体で両極性トランジスタ動作を実現

"Ambipolar transistor action of germanane electric double layer transistor"

Yumiko Katayama, Ryoto Yamauchi, Yuhsuke Yasutake, Susumu Fukatsu, and Kazunori Ueno, Appl. Phys. Lett., 115, 122101 (2019). Editor’s pick.

プレスリリースはこちら。

↑(左)片山さん　(右)山内さん

グラフェンの炭素をゲルマニウムに置き換えた物質をゲルマネンと呼びます。 計算による物性予測からは、ゲルマネンは高移動度伝導や量子スピンホール効果、トポロジカル相転移など多様な物性が予測されるのですが、残念ながら大気中不安定なために電気測定などは行われていません。 一方、ゲルマネンのシートの上下を水素終端したGeH(ゲルマナン)は大気中構造構造安定です。 GeHはバンドギャップを持つ高移動度な半導体であると予測されており、トランジスタの有望な候補チャネル材料です。 本研究では、GeH薄膜を作製し、トランジスタ特性と、低温の輸送現象を解明しました。 まず、GeHの電気二重層トランジスタを作製し、正側(n)負側(p)の両側でのトランジスタ動作をはじめて実現し[下図(a)]、ホール効果測定からも正側負側それぞれで電子・正孔伝導の観測に成功しました。

さらに、正孔において移動度数1000cm²V^-1s^-1もの高移動度伝導を実現しました(下図)。 これは、GeHが2次元量子物性探索においても有望な半導体材料であることを示す重要な結果です。 本研究成果は、Applied Physics Letters のEditor’s pickにも選出され、プレスリリースも行いました。

極薄膜や界面のような2次元的な構造では3次元的なバルク構造では実現できないような新奇な物理現象が発現します。 特に酸化物単結晶薄膜は、大気中安定でデバイス化も容易であることから、ナノスケールでの物理現象を調べる上で最適な系です。 幣研究室では、パルスレーザー堆積法による酸化物薄膜の作製と、電気二重層トランジスタによるイオン液体ゲーティングを組み合わせることで、電解液と酸化物との界面の作製や、電気化学的な超極薄膜作製を行い、新奇なナノスケール系を作り出し、強電場下でのみ実現できる新たな電子相を開拓しています。 以下に研究成果を紹介します。

(6)　種々の電解質における半導体電解液界面の輸送現象を解明

"Electrolyte dependence of transport properties of SrTiO₃ electric double layer transistors"

　

Yohei Sato, Kiyomasa Doi, Yumiko Katayama, and Kazunori Ueno,　Jpn. J. Appl. Phys., 56, 051101 (2017).

↑(左)佐藤さん　(右)土井さん

酸化物半導体SrTiO₃と異種材料との界面に形成される2次元電子ガスでは、超伝導や量子ホール効果、ラシュバスピン軌道相互作用等といった現象が観測され、物性研究のプラットホームとして長年研究されています。 特に、SrTiO₃の電気二重層トランジスタでは、SrTiO₃と電解液との間の固液界面にかかる強電場により、1014cm-2を超える膨大な量のキャリア濃度を誘起できることから(下図a)、低いキャリア濃度ではアクセスしえなかった新奇物性の実現も期待されます。 こうした背景から、固液界面でどれだけキャリア濃度やキャリア移動度の大きさを変えられるかを理解することが重要です。 本研究では、電解液の種類を変える事で、SrTiO₃界面に誘起されるキャリア濃度や移動度の大きさを体系的に明らかにしました。 キャリア濃度については、電解質に依存せず1.6×10¹⁴cm^-2ものキャリアが実現されました。 一方、電子移動度は電解質に依存し、電解質 EMIM-DCA を持つデバイスで2,600 cm²V^-1s^-1もの巨大な移動度が得られました。

(7) 導電性酸化物の極薄膜での輸送現象を解明

"Transport properties around the metal-insulator transition for SrVO₃ ultrathin films fabricated by electrochemical etching"　

Hikaru Okuma, Yumiko Katayama, Keisuke Otomo, and Kazunori Ueno, Phys. Rev. B 105, 045138 (2022).

↑(左)大熊　(右)大友さん

金属伝導を示す材料でも厚さ数ナノという極薄膜にすると、試料の劣化の影響を強く受け、絶縁体化します。 電気二重層トランジスタでは、研究(6)で紹介した電子ドープだけでなく、研究(1)(2)のように電気化学反応を利用することで系に乱れを導入せずに、膜厚を数原子層単位で削ることができます。 本研究では、金属伝導を示す酸化物SrVO₃薄膜に対して電気化学反応によるエッチングを行うことで、3ML(1nm)というこれまでにない薄い膜厚での金属伝導に成功しました(下図(b,c))。 さらに、極薄膜での輸送特性を調べたところ、厚い膜やバルクのSrVO₃では報告例のない弱反局在効果と呼ばれる現象を観測しました。 これは、電子局在が抑制される現象で、相対論的効果であるスピン軌道相互作用が強いことを示しています。 スピン軌道相互作用は、伝導電子を持つ元素が周期表の下にある重い物質である場合や、構造の対称性の破れた試料において大きくなることが知られています。 後者の構造の非対称性に由来するスピン軌道相互作用はラシュバ効果と呼びます。 今回、Vという比較的軽元素で実現した強いスピン軌道相互作用の兆候は、対称性の破れに起因したラシュバ効果に由来するものと考えられ、低次元系ならではの物理現象であると考えられます。

物性物理学では長年、電子間のクーロン反発力(電子相関)に起因した多彩な物性が調べられてきました。 一般に、電子間のクーロン反発力は狭い範囲に電子対が閉じ込められるときに強くなります。 たとえば、3d軌道の電子を価電子にもつ遷移金属では強い電子相関により銅酸化物で高温超伝導が発現したことをきっかけに、大きく物質合成の研究が進みました。 一方、おなじ遷移金属酸化物でも4d,5dなど重い遷移金属元素を含む物質では、電子相関は弱くなるものの、スピン軌道相互作用という相対論効果が大きくなることが知られています。 スピン軌道相互作用が強い物質では、電子のバンドが変化するとともにトポロジカル絶縁体やワイル半金属をはじめとする特異な物性が次々と見つかっています。 こういった背景から当研究室では、重い元素を含む薄膜新材料作製とその新奇な輸送現象の開拓を目標に研究しております。 以下に上野研究室の成果を紹介したいと思います。

(8,9) 酸化物で最大のラシュバ効果を示す新材料を発見

(8) "Large Rashba parameter for 4d strongly correlated perovskite oxide SrNbO₃ ultrathin films"

Hikaru Okuma, Yumiko Katayama, and Kazunori Ueno, Phys. Rev. Mater., 8, 015001 (2024).

(9) "Large Rashba spin-orbit coupling in metallic SrTaO3 thin films"

Hikaru Okuma, Yumiko Katayama, Fukunobu Kadowaki, Yuki Tokumoto and Kazunori Ueno, Appl. Phys. Express, 17 093001 (2024).

ラシュバ効果は、極薄膜や界面、反転中心のない結晶のような、試料の構造の非対称性に由来して生じるスピン軌道相互作用のことです。 強いラシュバ効果を持つ物質では、より少ない電流で高効率にスピン流を生成できることが知られています。 スピン流は磁石の磁化反転に欠かせないため、将来的にはより少ない電流で磁化の制御が可能になります。 こういった経緯から強いラシュバ効果を持つ物質合成は非常に重要です。 本研究では、SrVO₃極薄膜のVを、同族でNbやTa等の重い元素に置換した新材料SrNbO₃やSrTaO₃極薄膜で、これまでの単体導電性酸化物の中で最大級のラシュバ効果を示すことを明らかにしました(下図)。 特に、SrTaO₃は当研究室が発見した新物質です。 本研究成果は、酸化物において、2種類の物質との界面で実現される強いラシュバ効果を、金属薄膜という1種類の物質でも実現できることを示した最初の例で、ごく最近の酸化物スピントロニクスの爆発的な発展が追い風にもなり大きな反響を呼びました。 また、Quantum espressoという計算パッケージを用いて電子構造を計算し、SrVO₃からSrNbO₃、SrTaO₃へと構成元素の原子番号を重くすることで、ラシュバ効果が系統的に増大する可能性についても明らかにしております。

(9) 準安定薄膜における不安定性を捉えることに成功

(9) "Large Rashba spin-orbit coupling in metallic SrTaO₃ thin films"

Hikaru Okuma, Yumiko Katayama, Fukunobu Kadowaki, Yuki Tokumoto and Kazunori Ueno, Appl. Phys. Express, 17 093001 (2024).

学術論文(9)のもう一つのトピックとして、新物質SrTaO3の結晶の構造やクオリティ、導電性を膜厚を基軸として詳細に調査しました。 SrTaO₃はバルク合成では単結晶として安定には存在できない物質として知られてきましたが、非平衡性を利用した薄膜合成によって準安定化させることで、単結晶を作製することに成功しました(下図b)。 こうした材料を準安定物質と呼びます。 本研究では、準安定状態のSrTaO₃単結晶薄膜を用いることで、膜厚を基軸とした薄膜の結晶の安定性について解明しました。 数10nmにまで膜厚を厚くして、バルク極限に近づけていった場合には、単結晶領域の減少と、結晶性の悪化が起き(下図f)、同時に伝導度も減少するという「準安定物質特有の現象」を捉えました。

2023年

博論　大熊　光　第5族酸化物の極薄膜および界面での輸送特性

(Transport Properties of Oxide Ultrathin Films and Interfaces Containing Group V Elements)

2022年

修論　小林　大輝　超高移動度ゲルマナン薄膜の輸送特性

2021年

修論　濱本 杏果　遷移金属ダイテルライドのエピタキシャル薄膜の開発

2020年

修論　大熊　光　　電気化学エッチングによるSrVO3極薄膜の金属絶縁体転移近傍の輸送特性

修論　杉本　惇志　電気化学的手法によるZrTe5の物性制御法の探索

修論　土田　寛人　ゲルマナン類似物を用いたデバイスの作成とその電気特性

2019年

修論　榊原　烈桜　常磁性金属Pt,Pd極薄膜の電気化学的な伝導特性制御

修論　嶋田　侑眞　ペロブスカイト型酸化物を用いた無機薄膜電界発光デバイスの開発

2018年

修論　荒木　友輔　電気化学的手法による層状化合物の物性制御

修論　山内　遼斗　電気二重層トランジスタを用いたゲルマナン薄膜の金属伝導

2017年

博論　佐藤 洋平　電気化学的界面を用いた新規半導体デバイスの開発

(Development of a new semiconductor device using an electrochemical interface)

修論　長沼　志昌　電気化学的手法による銅酸化物超伝導体薄膜の物性制御

2016年

修論　河野　駿介　電気化学的手法による鉄カルコゲナイド超伝導体極薄膜の作製と物性制御

修論　土井　聖将　高純度Si単結晶を用いた電気二重層トランジスタの作製

2015年

修論　大友 圭輔　液体ゲートを用いた強相関電子系SrVO3薄膜の金属絶縁体転移

修論　中澤 新悟　バックゲート構造による強磁性金属極薄膜の磁性制御

2014年

修論　清河 文雄　無限層構造を持つ銅酸化物超伝導体薄膜の開発と電界制御

修論　佐藤　洋平　様々な電解質を用いたSrTiO3電気二重層トランジスタの伝導特性

2013年

修論　林 昭悟　無限層構造を持つ銅酸化物高温超伝導体母物質の薄膜作成と電界効果デバイスの開発