東北大,レーザー堆積法で二酸化チタンの原子シートを作製

東北大学の研究グループは「原子1個の厚み」の二酸化チタン(TiO2)シートの作製に成功した(ニュースリリース)。

グラフェンの発見以降, 原子1個の厚みの平板状物質「原子シート」が注目を集めている。原子シートでは,構造の特異性や対称性によって,通常の3次元結晶とは異なる性質を示すが,従来は原子シートの種類が限られていたことから,材料のバラエティを広げることが強く望まれていた。

原子シートの新たな材料として「金属酸化物」が有力候補とされている。金属酸化物は,電気・磁気・光学特性において多彩な物性を示すことから,新しい応用が期待されている。元素置換や微量の酸素欠損を導入することによって,多様な組成と機能性を人工的に制御することが可能であり,従来型原子シートを超えるブレークスルー材料としての潜在的可能性に注目が集まっている。

様々な金属酸化物の中でも,二酸化チタン(TiO2)は,光触媒材料としてだけでなく,色素増感太陽電池や透明導電体としての利用が期待されている。そのため,グラフェンには存在しない多様な機能性を原子シート化することによって顕在化させ,新たな電子材料や触媒材料として応用することが検討されてきた。

研究グループは,原子1つ1つが識別可能な走査型トンネル顕微鏡(STM)と,高品質な薄膜作製手法であるパルスレーザー堆積法が連結した複合装置を独自に開発してきた。そして,SrTiO3単結晶基板の再構成表面上にLaAlO3/SrTiO3ヘテロ接合を作製し,その表面・界面をSTMと走査型透過電子顕微鏡(STEM)を用いて原子スケール空間分解能で観察した。

その結果,SrTiO3表面上のTiO2層がLaAlO3薄膜上に浮かび上がり,周期的に穴を有する「TiO2原子シート(ナノメッシュ)」が形成されることを発見した。さらに,このTiO2原子シートは半導体的な性質をもつことが明らかになり,今後ドーピングによって電気伝導性や磁性などの物性が制御可能となることが期待できる。

また,金属酸化物ヘテロエピタキシャル成長における第一層目からの初期成長過程が明らかになった。La,Al,OやTiが混在した物質がまず表面にでき,その後,LaAlO3として結晶化する際に,Tiが最表面に移動するという描像で理解することができる。近年,金属酸化物ヘテロエピタキシャル界面の新物性に関心が集まっており,このような金属酸化物の成長過程の解明は,新たな機能をもつ界面の創出につながる。

「ナノ構造化された酸化物原子シートの創出」は原子シート研究をさらに活発化させ,新たな酸化物原子シート群の創製や新機能の付与が期待される。研究グループは今後,今回得られた知見と,原子スケールで設計されたヘテロ接合の物性との相関を明らかにすることが望まれるとしている。また,同様の酸化物原子シートが強相関酸化物La0.7Ca0.3MnO3薄膜の上にも形成することをすでに実証しており,SrTiO3基板の電子状態が原子シートの電子状態に影響を与えるなどの相互作用も含め,多彩な物性が期待できるという。

関連記事「東北大ら,グラフェンを超える新材料「シリセン」の基盤電子構造を解明」「JAIST,炭素2原子層厚のグラフェン膜を使った機械的スイッチを開発」「東北大,原子層超薄膜で高温超伝導を発現・制御」「東北大ら,二酸化チタンの欠陥を操る方法を開発

その他関連ニュース