岡山大ら,ダイヤの3次元原子配列を解明

岡山大学,高輝度光科学研究センター(JASRI),産業技術総合研究所(産総研),大阪大学の研究グループは,ダイヤモンドに添加したリン原子周辺の3次元原子配列構造の観測に世界で初めて成功した(ニュースリリース)。

ダイヤモンドの優れた絶縁性は,微量元素の添加により高性能な半導体として機能することにつながるため,次世代パワーデバイスや量子センサーなどへの応用が期待されている。

デバイス応用のためには,微量元素添加によりダイヤモンド中に電子またはホール(電子の抜け殻)を導入し導電性を付与することが必要。p型半導体はホウ素添加により,n型半導体はリン添加により制御可能で,これらの高品質化がデバイス性能に関わる重要な因子となる。

研究グループは,高濃度リン添加ダイヤモンド試料に対する研究から,リン原子が取る化学結合状態が2つあることを突き止めていた。しかし,その2つがどのようなリン原子配列を持つのかについては,適切な研究手法がなかったため,未解明のままだった。

今回の研究では,従来技術の電子顕微鏡やX線結晶構造解析では不可能だった,ダイヤモンド中に添加したリン元素の3次元的な原子配列構造を世界で初めて明らかにした。

具体的には,化学気相成長法により作製したリン添加ダイヤモンド薄膜(リン濃度:0.06atom%)に対して,SPring-8の超高精度光電子ホログラフィー実験を行なった。

その結果,リン原子の2種類の化学状態の片方は電導性の向上に理想的な構造であり,もう一方は電導性の向上を阻害する原子配列であることを突き止めた。

加えて,それぞれの原子配列に配向があることも明らかにし,この配向がダイヤモンドの成長プロセスと密接に関連することも示唆した。

今回の研究では,超高精度光電子ホログラフィー実験により,従来技術の電子顕微鏡やX線結晶構造解析では不可能だった,ダイヤモンド中に添加したリン元素の3次元的な原子配列構造を世界で初めて明らかにした。

研究グループは,原子配列や配向の情報を利用すれば,より高度な試料作製の戦略立案が可能になるため,ダイヤモンドデバイスの高性能化に貢献するとしている。

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