チタン酸ストロンチウム薄膜の複雑な成長過程を解明

東北大学 原子分子材料科学高等研究機構 (AIMR) の大澤 健男 助教 (現 独立行政法人 物質・材料研究機構 (NIMS) 主任研究員) と一杉 太郎 准教授の研究グループは、超高分解能顕微鏡と酸化物薄膜作製装置を組み合わせた装置を開発し、チタン酸ストロンチウム (SrTiO₃) 単結晶表面上で金属酸化物薄膜が成長する様子を原子レベルで観察することに初めて成功しました。その結果、チタン原子が薄膜表面に浮かび上がるという、薄膜成長メカニズムを明らかにしました。
金属酸化物、特にSrTiO₃をはじめとしたペロブスカイト型酸化物は、超伝導や強磁性、強誘電性、触媒効果などの多彩な物性を示すことから、我々の実生活で身近な材料となっています。近年では、異なる酸化物が接触して形成する界面での新物性開拓が活発に行われています。しかし、それらの研究をさらに進展させる上で鍵となる、界面がどのように形成されるのか、すなわち薄膜状の結晶がどのように成長していくのかについて、その成長過程は未だ解明されていませんでした。
本研究グループでは、原子1つ1つが識別可能な走査型トンネル顕微鏡と、高品質な薄膜作製手法であるパルスレーザー堆積法が連結した複合装置を独自に開発してきました。それに加えて、表面の原子が周期的に並んだSrTiO₃単結晶基板を準備する方法を確立し、その基板表面上に薄膜を成長させて、原子スケール空間分解能で薄膜の成長過程を観察しました。その結果、表面にSrTiO₃薄膜を堆積した場合と酸化ストロンチウム (SrOx) 薄膜を堆積した場合では成長過程が大きく異なることが分かりました。さらに、SrTiO₃基板表面に存在した余剰のチタン原子が薄膜上に浮かび上がることを明らかにしました。以上より、酸化物薄膜が形成される過程で原子がどのように組み上がっていくのか、手に取るようにわかってきました。今回の研究成果は、界面物性の起源を解明することに役立つだけでなく、新材料開発を通じて新規エレクトロニクスデバイス創製につながることが期待されます。
本研究は、JST戦略的創造研究推進事業 (さきがけ) の一環として実施したもので、近日中に米科学誌「ACS Nano」に正式掲載される予定です。