東北大，ポストシリコンであるチタン酸ストロンチウム基板の表面電子状態を解明

東北大学の研究グループは，清水亮太日本学術振興会特別研究員らと共同で，超高分解能顕微鏡観察と第一原理計算の併用により，チタン酸ストロンチウム（SrTiO₃）単結晶表面の表面電子状態の解明に初めて成功し，電子密度の空間分布がエネルギーに依存して変化していることを明らかにした（プレスリリース）。

チタン酸ストロンチウムを始めとした金属酸化物は，微細加工の限界に達しつつあるシリコンに代わるエレクトロニクス素子の基幹物質として注目されている。しかし，酸化物の表面構造を原子レベルで制御することが極めて困難なため，表面の原子配列と電子状態の理解が十分とはいえず，高性能化や実用化への障害となっていた。

研究グループはこれまでの研究で，試料の調製方法を最適化することにより，原子レベルで制御されたチタン酸ストロンチウム基板表面を作製することを可能にしている。今回，まず原子1つ1つが識別可能な走査型トンネル顕微鏡を用いて表面の観測を行なったところ，チタン原子と酸素原子が整然と並び，大小2つの穴が交互に並ぶ市松模様となっていることが分かった。

さらに，実験結果とは独立して物質の電子構造を計算する第一原理電子状態計算を組み合わせる手法を用いて，チタン酸ストロンチウム表面の電子状態を調べた結果，表面電子状態の空間分布がエネルギー状態によって，リング状から四葉のクローバー状へ変化することを明らかにした。

研究具グループは今回の研究成果について，原子レベルで制御されたチタン酸ストロンチウムの表面における原子配列と電子状態を初めて解明した画期的な成果であり，酸化物エレクトロニクスの発展につながるだけでは無く，酸化物表面や異種酸化物界面で発現する電気伝導性，磁性，超伝導といった物理現象のメカニズム解明にもつながるとしている。