東北大ら,微小粉状結晶の電子構造測定に成功

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(KEK),量子科学技術研究開発機構,東京工業大学は,マイクロメートル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た(ニュースリリース)。

最近発見された,ホウ素(B)と硫黄(S)で構成された菱面体構造を持つ層状材料r-BSは,層状遷移金属ダイカルコゲナイドの,遷移金属の部分をB-Bに置き換えたような構造をしており,その層状構造に起因して、劈開によって層を剥がすことで容易に薄くできるため,単層(原子層)化したときの物性に興味が持たれている。

また,バンドギャップを,層数の変化によって容易に制御できると理論予測されており,次世代半導体材料として有望視されている。さらに触媒材料や水素貯蔵材料として,グラフェンを超える特性を持つ可能性が指摘されている。

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,r-BSの物性研究における障害となっていた。

今回研究グループは,微小粉状結晶r-BSを精密に観測した。これには東北大学とKEKのグループが最近共同でKEKフォトンファクトリーにて開発した,放射光からの紫外線のスポットサイズを10μm程度に絞って精密観測できるマイクロARPES装置を用いた。

観測にあたり,まずは過去に全く例がない粉状試料の電子バンド計測を行うためのスキームを実験的に確立した。具体的には,大気中でr-BS粉末試料を金(Au)の板上に拡散させ,そのAu基板を超高真空中に導入して表面をポリイミドの粘着テープで剥がした。これにより,目視では確認できないほど微小な,劈開されたr-BS結晶がAu基板のごく一部の領域に残る。

次に,マイクロ集光された紫外線をAu基板に照射して,基板全体をくまなく走査しながら外部光電効果によって放出された光電子を精密に計測することで,清浄試料表面を有する〜20μmサイズの微小結晶の位置を特定した。

さらに,この位置にマイクロ紫外光を固定してピンポイントで精密測定を行なうことで,r-BSのエネルギーバンド構造を初めて観測することに成功した。これにより,r-BSは理論予測に合致した大きなバンドギャップを持ち,p型半導体となるのに加えて,電気の流れ易さに方向依存性が現れる「異方的有効質量」を持つことも明らかになった。

研究グループはこの手法について,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ものだとしている。

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