課題番号 ：S-17-OS-0014
利用形態 ：機器利用
利用課題名（日本語） ：機能性酸化物を用いたナノ構造体作製と評価
Program Title (English) ：Fabrication of functional oxide nano-structures
利用者名（日本語） ：田中　秀和、神吉　輝夫、服部　梓、山本　真人、Alexis Borowiak、Rupali Rakshit、頓田　佐映子、榊　奈津子、左海　康太郎、近成　将司、林　慶一郎、樋口　敬之、辻　佳秀、川本　大喜、安西　勇人、村岡　敬太、遠藤　史也、谷村　俊樹、玄地　真悟
Username (English) ：Hidekazu Tanaka, Teruo Kanki, Azusa Hattori, Mahito Yamamoto, Alexis Borowiak, Rupali Rakshit, Saeko Tonda, Natsuko Sakaki, Koutaro Sakai, Masashi Chikanari, Keiichirou Hayashi, Yoshiyuki Higuchi, Yoshihide Tsuji, Taiki Kawamoto, Yuto Anzai, Keita Muraoka, Fumiya Endo, Tosiki Tanimura, Shingo Genti
所属名（日本語） ：大阪大学　産業科学研究所
Affiliation (English) ：ISIR, Osaka University

１．概要（Summary）
機能性酸化物薄膜のナノスケール化は、電子相転移制御や量子効果等のナノ物性の興味に加え、低電力駆動、高集積化に直結する重要な課題である。そこで、我々は、酸化物トップダウン・ボトムアップナノテクノロジーを融合した技術的方法論を確立し、酸化物ナノ構造の作製、及び新奇ナノエレクトロニクスの開拓を行っている。
２．実験（Experimental）
【利用した主な装置】
S15 SPM、S19 レーザーラマン顕微鏡
【実験方法】
上記装置群を用いて酸化物薄膜の微細加工を行った。
３．結果と考察（Results and Discussion）
■強相関電子系酸化物であるペロブスカイト型ニッケル酸化物は、金属絶縁体転移(MIT)に伴って巨大な抵抗変化を示す。これまでVO2やMn酸化物といったMITを示す強相関電子系酸化物ではMIT過程で相分離現象が報告されているが、ニッケル酸化物では殆ど調べられていない。そこで本研究ではAFM、電子顕微鏡などで構造確認を行い、NdNiO3 (NNO)ナノ細線試料を作製し(Fig. 1(a))、電気伝導特性研究を行った。NdNiO3単一ナノ細線の抵抗の温度依存性をFig. 1(b)に示す。線幅500 nm細線では薄膜と同様になだらかな抵抗変化であるのに対し、線幅100 nm細線は階段状の抵抗変化と形状に大きな違いがみられた。階段状の抵抗変化は細線中にナノ電子相が閉じ込められていること、すなわち電子相の閉じ込め効果に由来し、ナノ電子相の伝導特性評価に初めて成功した。
■原子レベルまで薄くしても優れた半導体特性を示す遷移金属ダイカルコゲナイド(TMDC)は、次世代のトランジスタ材料として注目されている。しかし、TMDCトランジスタは、その低消費電力化に物理的限界があった。本研究では、わずかなエネルギーで急峻に金属-絶縁体相転移を示す二酸化バナジウム(VO2)をレーザーラマン顕微鏡で作製できていることを確認し、電極として用いることで、TMDCトランジスタの低消費電力化を実現した。Fig. 2に作製したVO2/WSe2トランジスタの光学顕微鏡像とトランジスタ特性を示す。ゲート電圧印可に対しドレイン電流ははじめ緩やかに上昇するが、53.5 V付近でVO2の相転移に由来する急峻な増加を示した。このとき、トランジスタの低消費電力性を示すS値は157 mV/decadeであり、MOSFETの理論下限値に匹敵する優れた値であった。本研究結果は、遷移金属酸化物／遷移金属ダイカルコゲナイドヘテロ構造による低消費電力トランジスタ実現を大いに期待させるものである。

４．その他・特記事項（Others）　「なし。」
５．論文・学会発表（Publication/Presentation）
S. Tsybota, A.N. Hattori, H. Tanaka et al, Appl. Phys. Exp. 10 (2017) 15001., Y. Higuchi, T. Kanki and H. Tanaka, Appl. Phys. Exp. 10 (2017) 033201.
６．関連特許（Patent）　「なし。」