ガラス基板上で配向を自在に制御したペロブスカイト酸化物結晶薄膜の成長に成功

2次元ナノシートを用いることで、単結晶基板が不要な高品位薄膜配向制御を実現

2013.11.22

独立行政法人物質・材料研究機構

NIMS 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点の研究グループは、ガラス等の任意の基板の上に、重要な機能性材料であるペロブスカイト型酸化物の高品質薄膜を望みの方向に向けて配向成長させることを可能とする新技術を開発した。

概要

  1. 独立行政法人物質・材料研究機構 (理事長 : 潮田 資勝) 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点 (拠点長 : 青野 正和) の佐々木 高義フェロー、柴田 竜雄博士研究員らの研究グループは、ガラス等の任意の基板の上に、重要な機能性材料であるペロブスカイト型酸化物の高品質薄膜を望みの方向に向けて配向成長させることを可能とする新技術を開発した。
  2. 我々の身の回りにあるエレクトロニクス、オプトエレクトロニクスなどの先端デバイスの多くでは、様々な機能性材料の結晶薄膜を利用した部品が組み込まれ、重要な働きを担っている。例えばチタン酸バリウムに代表されるペロブスカイト型の酸化物は、強誘電性、圧電性など有用な性質を示す代表的な機能性材料であり、MEMS、センサー、メモリ等への応用が進んでいる。これらの特性は、結晶の方向や結晶性・配向度等に強く依存するため、その薄膜成長のコントロールが重要な課題となっている。一般に結晶薄膜の高品位・配向成長を達成するためには、構造がよく似た単結晶基板を用いたエピタキシャル成長が利用されているが、コストやサイズに制約があり、その広範な展開に足かせとなっていた。そのためガラスやプラスチックなど安価な汎用基板上で高品位・配向成長を可能とする技術の開発が待ち望まれていた。
  3. 研究グループは層状化合物を層1枚にまでバラバラに剥離して得られるグラフェン類似物質である無機ナノシートのライブラリの中から、成長させたい方位の構造に適合した3種類の酸化物ナノシートを選択して、溶液プロセスを用いてガラス等の基板表面に隙間、重なりが無いように配列させ、厚さ約1ナノメートルの極限的に薄い下地 (シード) 層を形成した。その上にペロブスカイト型酸化物結晶薄膜を気相プロセスにより堆積させた結果、それぞれのナノシートの持つ2次元格子との構造整合に対応して、ペロブスカイト結晶の主要な利用面方位である(100), (110), (111)方向に配向制御して成長させることに成功した。この際、通常の単結晶基板表面と異なり、ナノシートでは未終端の結合がないため、より自由度のある薄膜成長が可能となる優位性を有することも明らかとなった。得られた薄膜は無配向の薄膜と比べて2倍以上の誘電性能を示し、本技術の有効性が機能面からも実証された。
  4. 本研究成果はいわば「模様を持ったナノレベルの薄さの壁紙」ともいえるナノシートで基板表面を被覆することで、重要な機能性材料であるペロブスカイト型酸化物薄膜を様々な方向に配向成長制御することを可能としたものであり、これまで不可能であったガラスやプラスチックといった汎用基板を利用できること、ナノシートの基板表面の被覆は室温溶液プロセスで行うことができることから、安価で普遍性の高い新技術といえ、MEMS、センサーなどへの応用技術に大きな波及効果、技術革新をもたらす可能性がある。
  5. 本研究成果は、独立行政法人科学技術振興機構戦略的創造研究推進事業チーム型研究 (CREST) 「ナノ科学を基盤とした革新的製造技術の創成」研究領域 (研究統括 : 堀池 靖浩) における研究課題「無機ナノシートを用いた次世代エレクトロニクス用ナノ材料/製造プロセスの開発」 (研究代表者 : 佐々木 高義) 」の一環で得られたもので、王立化学会誌「Journal of Materials Chemistry C」に近日掲載予定である。
「図1　本技術の概要」の画像

図1　本技術の概要