【本学研究者情報】

〇金属材料研究所　特任助教　岡部博孝
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【概要】

半導体の電気特性は材料中に存在する不純物の量に左右されることが知られています。例えば純度の高いシリコンはほとんど電気を通しませんが、微量のリンやホウ素を添加すると電気抵抗が下がり、半導体として機能します。同様に半導体中に存在する不純物としての水素の量によって電気抵抗を変化させることができ、その性質をうまく使えば抵抗変化型のデバイスをつくれます。

しかし、その水素の振る舞いをナノスケールで調べる方法は極めて限られています。我々は次世代半導体デバイス材料として注目を集める二酸化バナジウム（VO₂）に対して、物質中で水素のように振舞う素粒子「ミュオン」を用いることで、ナノスケール領域における水素の挙動（ダイナミクス）を明らかにしました。大強度陽子加速器施設（J-PARC ※1）物質・生命科学実験施設（MLF）のミュオン科学実験施設（MUSE) Sラインにおいて行われたミュオンスピン回転/緩和/共鳴（μSR ※2）実験により、水素はVO₂中で2種類の拡散経路を持つこと、室温で10^-10cm²/sもの高い拡散係数を示すポテンシャルを秘めていることを発見しました。これは半導体中の水素の量をわずかな電圧の変化で制御できることを意味し、VO₂を用いた次世代水素駆動型半導体電子デバイスの開発に資するものです。本論文は米国科学誌「Physical Review Materials」の注目論文（Editors' Suggestion）に選ばれました。

【用語解説】

※1．大強度陽子加速器施設（J-PARC）
高エネルギー加速器研究機構（KEK）と日本原子力研究開発機構が茨城県東海村で共同運営している大型研究施設で、素粒子物理学、原子核物理学、物性物理学、化学、材料科学、生物学などの学術的な研究から産業分野への応用研究まで、広範囲の分野での世界最先端の研究が行われています。J-PARC内の物質・生命科学実験施設（MLF）では、世界最高強度のミュオン及び中性子ビームを用いた研究が行われており、世界中から研究者が集まっています。

※2．ミュオンスピン回転/緩和/共鳴（μSR）
ミュオンはスピンという性質を持っており、スピンが磁場を感じるとスピンの向きが回転します。正の電荷を持つミュオンは約2.2マイクロ秒の寿命を持って崩壊し、スピンの方向に多く陽電子を放出するため、前後左右に飛んでいく陽電子数の違い（非対称度）を測定することでスピンの運動がわかり、物質内部の局所的な磁場構造を調べることができます。

詳細（プレスリリース本文）

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