単一電子相集団の相転移を利用した 酸化物ナノエレクトロニクス

図 1 電子相転移を利用した酸化物デバイス概念図．

１．はじめに

 温度によって水が氷、或いは水蒸気へと分子のつ ながり方によって 相 を変化させる現象（相転移）

は、物質界においてよく見られ、今日のエレクトロ ニクスでも活用されている。例えば、ブルーレイデ ィスク、DVD では結晶・非晶質の 2 相間をビット として用い相転移を利用して情報を記録している。

また、電気伝導を担う電子においても、電子が局在 し、いわば固まった相（電子固体状態）、相互作用 しながらも固体中を動き回る、溶けた相（電子液体 状態）、或いは気体のようにお互いに相互作用をし ない相（電子気体状態）などの 電子相 として存 在しており、電子の高速で巨大な物性変化を伴う状 態間転移が注目され、次世代エレクトロニクス応用 への期待が高まっている

。特に遷移金属酸化物は、

適度に強い電子間の相互作用力によって電子が動け ない絶縁体、いわゆるモット絶縁体となっており、

温度や電場、磁場、光などの外部刺激により、電子 が融解し金属状態へと転移を起こす材料として知ら

れており

、電流・電圧源をトリガーとする物性

制 御 が 可 能 な た め 、 電 子 相 変 化 メ モ リ や 巨 大 On/Off 比を持つ高速スイッチング、或いは超高感 度センシングデバイス創出に向けた有望な材料群で ある

（図 1）。

 この物質の相転移点近傍をナノスケールで眺めて みると、絶縁体状態と金属状態の電子集団が入り混 じった相混合状態となっていることが知られている

[8,9]

。最近では、酸化物のナノ微細加工技術の進展

により、デバイスサイズを小さくすることによって、

個々の電子集団の個性が観測できるようになってき た。その結果の一端として、一つの電子集団は、協 調的に一次相転移を起こす空間最小単位を構成する ドメインであることが示唆されている

。相混 合状態を、自然発生したアドレス空間とみなし個々 のドメインの相転移制御が可能になれば、ナノ電子 相ドメインをビットとする情報記憶、電子相配列を 制御した電子相サーキット等、新規エレクトロニク Functional oxide nano-electronics using electronic phase transition

Key Words：Oxide electronics, strongly correlated electron system,  electronic phase transition, nanotechnology

＊＊   Hidekazu TANAKA 1970年5月生

大阪大学大学院基礎工学研究科物理系専 攻後期課程中途退学

現在、大阪大学 産業科学ナノテクノロ ジーセンター ナノ機能材料デバイス研 究分野 教授 博士（理学） ナノ機能材 料化学、酸化物エレクトロニクス TEL：06-6879-4280

FAX：06-6879-4283

E-mail：[email protected]

単一電子相集団の相転移を利用した 酸化物ナノエレクトロニクス

＊ Teruo KANKI 1973年12月生

大阪大学大学院基礎工学研究科物理系専 攻後期課程

現在、大阪大学 産業科学ナノテクノロ ジーセンター ナノ機能材料デバイス研 究分野 准教授 博士（理学） 酸化物エ レクトロニクス

TEL：06-6879-4281 FAX：06-6879-4283

E-mail：[email protected]

神 吉 輝 夫

，田 中 秀 和

研究ノート

図 3 (a) ドメイン挙動と電気伝導特性の同時評価システムセットアップ．

   (b) 金属ドメインの生成の様子を観察した光学顕微鏡像．

図 2 VO2薄膜の抵抗の温度依存性．

スへの展開が開けるであろう。しかしながら、従来 のマクロサイズの試料における電気伝導測定では、

個々のドメインの個性は埋没し、全体を平均化した 情報しか得ることができず、本来持つ電子相転移の 最大の特徴を引き出すには至っていない。また、電 子相ドメインの相転移・配置と電気伝導特性との対 応関係は未だに分かっていない。

 本稿では、酸化物エレクトロニクス展開のキーと なる電子相ドメインの振る舞いに焦点を当て、典型 的な遷移金属酸化物である二酸化バナジウム（VO

） での研究を通して得られた知見を紹介する

。

２．マイクロスケール電子相ドメインの挙動と電  気伝導特性の同時観測

 VO

は室温近傍で、金属 - 絶縁体相転移により数 桁にも及ぶ抵抗変化を起こす材料であり（図 2）、

外場（熱、電気、光等）によって相転移を制御でき ることから、室温エレクトロニクス応用に向けた取 り組みが多くの研究者によってなされている。これ までの報告で、ナノスケール電子相ドメインの配置・

相転移をキャプチャーするためのナノ物性計測

と個々のドメイン相転移を評価する電気伝導特性

[10,11]

は個別に行われてきた。両者の関係を完全対

応付けるには、同時に両測定を行う必要があるが、

装置開発とナノデバイス作製という大きなハー ドルが待ち受けている。一方で、最近、我々は、

TiO

(001) 基板上に作製した VO

薄膜において、ド

メインサイズがマイクロスケールにも及ぶことを発

見した

。金属相と絶縁体相の可視帯域で反射率

が異なる

ことから光学顕微鏡を用いて簡便にリ

アルタイム観測ができ、顕微鏡下に配線済みのサン

プルを置くことによって個々のドメインの振る舞い

と電気伝導特性の同時観測が容易に行なえる（図 3 

(a)）。図 3(b) には、温度上昇とともに金属ドメイ

図 4 (a) 一次元ドメイン直列・並列配置の様子を観察した      光学顕微鏡像と同時測定した 3 パターンドメイン      配置（二次元：緑丸、一次元直列：青丸、一次元      並列：赤丸）の電気伝導特性の温度依存性．

   (b) 金属電子相の割合（PM）と電気伝導率との関係．

     実線はそれぞれの理論曲線を示す．

ンが生成する様子を示した。ドメイン以上の大きな 薄膜サイズでは、金属ドメインは、二次元的にラン ダムに出現するが、試料幅をドメインサイズ以下に したマイクロワイヤー構造では、一次元的に出現す る

。これらのドメイン配列は、電気伝導特性を 大きく左右する要素であることが、同時計測によっ てわかってきた。図 4(a) において、一次元配列し た金属ドメインの発生の仕方に対する電気伝導特性 の振る舞いを見ていきたいと思う。一次元ドメイン 配列においては、金属ドメインの配列パターンは、

電極と平行に生成する場合（直列抵抗接続）と電極 間を跨ぐ場合（並列抵抗接続）とが考えられる。直

列抵抗接続における金属相ドメインの発生に対して、

電気抵抗率は、温度上昇とともに徐々に階段的に減 少していく。最後のボトルネックとなっている絶縁 体ドメインの金属相転移に応じて一桁以上にも及ぶ 急峻な相転移が起こっていることが確認できる。一 方で、並列抵抗接続では、最初の金属ドメインが電 極間を跨いだ瞬間に急峻で変化が大きい抵抗率の減 少が起こっている。図 4(b) は、光学顕微鏡像から 見積もった金属相が占める割合（P

）を横軸に、

電気伝導度を縦軸にデータをプロットしたものであ る。同じ値の P

においても、ドメインの配置・次 元性によって電気伝導特性が大きく異なっているこ とが分かって頂けるだろう。P

と電気伝導度との 関係は、二次元薄膜においては、二次元サイトパー コレーションモデルに帰着できる。パーコレーショ ンモデルは、ドメインの集合・分散状態を統計的に 取り扱い、マクロな視点での機能性を評価できる理 論である。電気伝導率評価においては、P

の関数 として、σ( P

) ∝ ( P

− P

) t で表すことができる。

P

は臨界浸透確率と呼ばれ、非浸透と浸透状態（金 属ドメインの集合クラスターが電極間に跨いだ状態）

の境界点における金属ドメインの割合を表し、臨界 指数 t は相転移点近傍の伝導率の振る舞いを示す。

二次元のサイトパーコレーションモデルでは、数値 解析的に、P

＝0.59

、t＝1.4

と求められてお り、理論曲線（緑線）はP

を超えてからの実験値（緑 丸）とほぼ完全に一致していることが確認できる。

上記の 2 パターン（並列抵抗接続、直列抵抗接続）

の一次元ドメイン配列における電気伝導率は、σ

、 σ

をそれぞれ、金属相、絶縁体相の電気伝導率と すると、並列抵抗モデル：σ

＝σ

P

+σ

（1 − P

）、

直列抵抗モデル：        、で記述される シンプルな抵抗器の等価回路で説明できる。実験値

（赤丸、青丸）は、理論曲線（赤線、青線）と良い 一致をしていることが分かる

。

 ここまで、温度変化を通じて、金属ドメインの配 置・相転移と電気伝導特性との関係を見てきたが、

電気的にドメイン相転移を制御することは、エレク トロニクス応用に向けて重要なことである。次に、

その発端の実験として、電極間にバイアス電流を印 加したときに発生する金属ドメインの挙動と抵抗率 変化を見てみたいと思う。

1− P

P

1 ＝   + σ

σ

σ

図 6 (a) ナノインプリントリソグラフィー法で作製した      450nm 〜 1200nm 幅の VO2ワイヤー構造の電子      顕微鏡像 .

    (b) Al2O3(0001) 基板上の VO2薄膜、及びナノワイ     ヤー（幅 200nm、電極間距離 400nm）の抵抗率     温度依存性 . 青破線、及び赤破線はそれぞれ

    n

m

    右上図：着色合成した VO2ナノワイヤーの電子     顕微鏡像．

図 5 室温でのパルス電流印加における多値メモリ効果 .    上図：パルス電流印加の時間依存性 . パルス幅は、

      1.2 秒 . 

   下図：抵抗変化（青丸）と金属ドメインの割合（PM）       の変化（赤丸）．光学顕微鏡像は、金属ドメ       イン生成の様子を示す．

 図 5 は、電流パルスを試料に印加したときの抵抗 減少と金属ドメインが生成していく様子を示したも のである。パルス電流を印加するごとに抵抗率が減 少すると同時に、金属電子相の割合が増えていく様 子が見られる。また、測定温度は、金属相と絶縁体 相が安定して共存する領域であり、パルス電流印加 後においても不揮発メモリ効果が現れていることが 分かる。金属ドメインの生成は、電極間を跨ぐ電流 印加方向に沿って現れており、上述した一次元並列 抵抗モデルとおおよそ一致した振る舞いを示してい ることが分かった

。

 このようにマイクロスケールのドメインに対して、

その挙動と電気伝導特性の関係を詳細に見てきたが、

将来的には、ナノスケールドメインの相転移制御の ほうが、はるかに省電力性が期待でき、素子の高密 度化を実現するためには不可欠である。最後に次章 で、現在、我々が取り組んでいる VO

ナノ構造薄 膜の結果について少し触れたいと思う。

３．VO

 ナノワイヤーの電気伝導特性

 Al

O

基板上に作製された VO

薄膜のドメインサ イズは、数十 nm 〜数百 nm 程度であることが分か っている

。我々は、ナノインプリントリソグラ フィー法による一括大面積にナノ〜マイクロメート

ル幅の酸化物ナノ構造が作製出来る微細化プロセス を開発した（図 6(a)）。図 6(b) には、ドメインサイ ズと同程度になる 200 nm 幅の電極付 VO

ナノワイ ヤー構造の電子顕微鏡像と電気抵抗変化を示す。ミ リメートルサイズの薄膜と比較して、ナノワイヤー の電気伝導特性は、離散的に抵抗率が変化している ことが分かる。上記のマイクロサイズドメインと同 じアナロジー、つまりドメインを単位として一次相 転移を起こしていると考えると、ナノワイヤーでは、

個々のナノドメインの電子相転移を捉えていること

になる。また、ランダムレジスターネットワークシ

ミュレーションを用いて、縦横 n _× m _{のマトリッ}

クス中に金属相をランダムに発生させたときの電気

抵抗率を評価した。30 × 30 マスでは、900 個のド

メインが存在しており、個々のドメインの相転移は 全体の中に埋もれてしまい、ミリメートルサイズの 薄膜同様、平均化された電気伝導特性が観測され、

薄膜の実験結果と良い一致を示す。一方、今回のナ ノワイヤーでは、2 × 4 のマトリックスでのシミュ レーションと良い一致を示し、ドメインサイズが凡 そ 100 nm であることが見積もられ、妥当な値とな った

。数十〜数百ナノサイズの電子相ドメイン の相転移は、制限ナノ空間において、デバイス特性 に顕著に現れ、急峻で巨大な電気伝導特性変化を引 き起こしていると結論付けられる。

４．おわりに

 相混合状態の魅力は、全く物性の異なる相が同一 材料中に安定的に存在することである。酸化物エレ クトロニクスの発展にとって重要なことは、この自 然に与えられたアドレス空間を如何に利用するかで ある。個々の電子相ドメインの個性を重要視し、ナ ノ空間電子相の新規物性開拓、制御技術を確立する ことは、ドメイン間には相互作用が存在するのか？

電子相界面の電子状態はどのようになっているのか？

というナノ空間に存在する未踏の問題に対しても結 論を与え、電子相転移の究極の有効活用が期待され る。

謝辞

 本成果は、主に学生である高見英史氏、川谷健一 氏、上田大貴氏の寄与が大きい。ここに、深く感謝 致します。本研究は、科研費若手（S） （No.21676001）、

基盤（B） （No.25286058）の支援を受けて行われた。

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