本文へ
ここから本文です

マイクロメートルサイズの微小な粉状結晶の電子構造測定に初めて成功 ─ 次世代半導体開発や微粒子の物性解明のブレークスルーに ─

【本学研究者情報】

〇大学院理学研究科物理学専攻
准教授 菅原 克明
研究室ウェブサイト

【発表のポイント】

  • 高輝度放射光(注1)を用いて層状半導体である菱面体硫化ホウ素(以下、r-BS)(注2)の微小粉状結晶における電子バンドのピンポイント計測に成功し、「粉状材料の測定は困難」という常識を覆した。
  • r-BS が異方的有効質量(注3)を持つ p 型半導体(注4)であることを明らかにして、新たなエレクトロニクスデバイス開発への道を拓いた。
  • 本手法は広範な粉状材料にも適用可能で、電子計測による材料研究の対象を飛躍的に拡大する。

【概要】

 近年、高輝度放射光を用いた電子状態(注5)の観測により、高温超伝導体やトポロジカル絶縁体などに代表される量子材料における物性解明が大きく進展しています。一方、これまで電子状態の観測対象は大面積の試料(大型単結晶など)に限られるという問題があり、様々な材料の物性研究における障害となっていました。

東北大学、筑波大学、物質・材料研究機構、高エネルギー加速器研究機構、量子科学技術研究開発機構、東京工業大学の共同研究グループは、マイクロメートル(μm)サイズに集光された放射光を用いて、これまで困難とされてきた微小な粉状結晶における電子状態の直接観測に世界で初めて成功しました。具体的には、近年発見され 2 次元材料としての応用が期待されている層状半導体である r-BS の微小粉状結晶にμm 程度に集光された紫外線をピンポイントで照射して、放出された電子のエネルギー状態を新たに開発したマイクロ集光角度分解光電子分光(注6)(マイクロ ARPES 注7)装置を用いて精密に観測しました。その結果、r-BS が異方的な有効質量を持つ p 型半導体であることを突き止めました。今回の成果は、r-BS を用いたエレクトロニクスデバイスの開発に貢献するだけでなく、これまで計測が困難だった様々な粉状材料や微粒子における物性研究へのブレークスルーとなります。

本研究成果は、アメリカ化学会発行の学術雑誌 Nano Letters の 2023 年 2 月28 日号で公開されました。

図 1: (a)r-BS の結晶構造および(b)微小粉状結晶 r-BS の写真。

【用語解説】

注 1. 高輝度放射光
ほぼ光速で進む電子が、その進行方向を磁石などによって変えることで発生する非常に明るい電磁波(光)のことです。真空紫外線や X 線など様々な短波長領域の光を含みます。

注 2. 菱面体硫化ホウ素(r-BS)
ホウ素と硫黄から構成される原子4層の厚みの二次元シートが積み重なることでできた層状半導体物質。近年注目されている材料であったがその電子物性は未解明なままでした。

注 3. 異方的有効質量
物質中の電子や正孔は、周囲の原子や電子との相互作用によって、真空中の自由電子の質量に対して見かけ上異なる質量を持っているように振る舞います。この相互作用を取り入れた質量を有効質量と呼びます。この有効質量が運動量の方向に依存して変化する場合を異方的有効質量と呼び、電気伝導に異方性が生まれます。

注 4. p 型半導体
電荷キャリアである電子と正孔(電子の抜けた穴)のうち、正孔が動くことで動作する半導体。

注 5. 電子状態(電子構造)
固体中の電子は、決まった運動量(質量と速度の積)とエネルギーを持つことが知られています。固体中における電子の運動量とエネルギーの関係で描き出された構造を、電子エネルギーバンド構造、または単に「バンド構造」と呼びます。バンド構造は物質の結晶構造や構成元素によって様々に変化し、電気伝導や磁性などの物質固有の性質を決定づけます。

注 6. 角度分解光電子分光(ARPES)
物質の表面に紫外線や X 線を照射すると、表面から電子が放出されます(外部光電効果)。放出された電子は光電子と呼ばれ、その光電子のエネルギーや運動量を測定することで、物質中の電子状態が分かります。その測定手法を角度分解光電子分光(ARPES)と呼びます。この外部光電効果は、1905 年に、アインシュタインの光量子仮説によって理論的に説明されました。

注 7. マイクロ ARPES
ARPES を行う際に用いられる光を、K-B ミラー(2枚の楕円ミラーで光を横方向と縦方向に分けて2次元集光する光学系)などによって 1 点に集光することで、微小試料をμm スケールの空間分解能でピンポイントに測定できます。

詳細(プレスリリース本文)PDF

問い合わせ先

(研究に関すること)
東北大学大学院理学研究科物理学専攻
准教授 菅原 克明 (すがわら かつあき)
電話:022-217-6169
E-mail:k.sugawara*arpes.phys.tohoku.ac.jp(*を@に置き換えてください)

東北大学材料科学高等研究所
教授 佐藤 宇史 (さとう たかふみ)
電話:022-217-6169
E-mail:t-sato*arpes.phys.tohoku.ac.jp(*を@に置き換えてください)


(報道に関すること)
東北大学大学院理学研究科
広報・アウトリーチ支援室
電話:022−795−6708
E-mail:sci-pr*mail.sci.tohoku.ac.jp(*を@に置き換えてください)

sdgs_logo

sdgs07sdgs09sdgs17

東北大学は持続可能な開発目標(SDGs)を支援しています

このページの先頭へ