図 1 研究手法紹介図：(a) ボトムアップ人工格子の断面透過型顕微鏡像、
(b) 各種人工ナノ構造の走査型電子顕微鏡図。
1．はじめに
物質・材料の機能はナノスケールの原子の配列・
組み合わせおよびそれらに付随する電子・スピン状 態から生じます。人の手により、この機能の根源か ら物質を設計・作製し、そして自在に制御し、これ までにない優れた機能を創出することは究極の夢で あると言えます。我々の研究室では、機能性酸化物 を代表とする Si に無い機能を有するエキゾティク マテリアルに対し、原子・分子を積み上げ、その組 み合わせを直接的に制御するボトムアップ・ナノテ クノロジーと、その形状をナノスケールで自在に設 計するトップダウン・ナノテクノロジーの融合によ
り特別仕立てのナノ構造を形成し、従来の原理を超 えた機能を発現するナノマテリアルを創製すること、
さらにそれらを用いた新奇ナノエレクトロニクスの 開拓を目指しています（図 1）。
2．強相関酸化物エピタキシャル薄膜：ナノ構造 と電子相転移
水が氷になったり、沸騰したりするときには、温 度によって分子のつながり方が異なる相転移が起き ています。環境の変化により、物質の秩序が崩れて 一気に無秩序になり、あるいは無秩序から秩序が自 ら急に現れ、微視の粒子世界の変容が劇的に観察さ
れます。このような相転移は、自然界ではありふれ た現象であり、物質の性質を決定する電子・スピン においても、互いの強い相互作用の為、時には電子・
スピンがいわば自ら結晶のように規則正しく配列し た電子固体となり絶縁性や反強磁性を示したり、時 には溶けて液体となり強磁性や超伝導などを発現し ます（図 2 上図）。機能性酸化物はその典型例であり、
抵抗比にして 10
1〜 10
7倍に及ぶ劇的な絶縁体 - 金
＊ 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]
酸化物ナノ構造で電子スピンを操る
Oxide nanostructures for manipulating correlated electrons Key Words：Functional Oxide, Heterostructures, Nanostructures,
Bottom-up Nanotechnology, Top-down nanotechnology
田 中 秀 和
＊研究室紹介
図 2 (a) VO2薄膜とナノインプリントリソグラフィー法 で作製した VO2ワイヤアレイでのドメイン挙動 の光学顕微鏡像（TiO2(001) 基板上）。
(b) Al2O3(0001) 基板上のナノワイヤ（幅 200nm、
電極間距離 400nm）の抵抗率温度依存性及び参 照用 VO2薄膜の抵抗率温度依存性。挿入図（着 色合成した VO2ナノワイヤの走査型電子顕微鏡 像）。
属相転移、強磁性相転移、強誘電相転移、超伝導相 転移など多彩かつ巨大な物性変化を自ら示す物質が 多数存在します。このような強相関電子系と呼ばれ る物質は、僅かな外場（磁場、温度、光等）で、金 属 - 絶縁体相転移（モット転移）を起こし、将来の 高速スイッチング・メモリ材料として注目されてい ます
1)。トランジスタやフラッシュメモリなど半導 体デバイスの多くは、電子（電荷）の量を電気的に 制御することで動作します。しかし将来の微細化に おいて半導体中の電子の密度を制御することが困難 になることが予測されており、動作原理の異なるデ バイスの登場が求められています。本物質系はその 一つの有力な候補として期待されています。
この物質系の特徴は、強い電子同士の相互作用に より金属相や絶縁相といった電子相がナノスケール 空間に分離した相分離状態が相転移近傍に現れるこ
とです。相分離状態にある単一の電子相のドメイン サイズは、数ナノメートルから数百ナノメートルで あると報告されています。このドメインの一つ一つ を直接外場により相転移制御ができれば、超巨大 On/Off 比性能、飛躍的な省エネルギー化・高速化 が期待されます。その典型例として、高温（室温か ら 70℃付近）に金属 - 絶縁体相転移を有する二酸化 バナジウム（VO
2）に着目しています
2, 3)。最近、我々 は TiO
2(001) 基板上に作製したエピタキシャル VO
2薄膜において、ドメインサイズがマイクロメートル スケールにも及ぶことを発見しました
4)。図 2(a) に示すように、2 次元の薄膜では、湖面に一面に張 った氷の所々が溶けて水面が現れるように、絶縁相
（白いコントラスト）中に金属相（黒いコントラスト）
が観察されます。これをトップダウン・ナノプロセ スの一つであるナノインプリント・リソグラフィー を用いてマイクロサイズのワイヤ・アレイを作製す ると、電子相はストローの中に閉じ込められた氷粒 や水滴の様に一列に配列します
5)。この様に電子相 の分布を制御できれば、これまでの 2 次元状の薄膜 と異なった電気特性がデザインできることが明らか になってきました
3)。通常はこのような金属ドメイ ン相のサイズは走査型プローブ顕微鏡を用いた研究 などにより、100 〜 50nm 程度と推測されています。
図 2(b) は、この様なナノスケールの電子状態分 布を有する系において、より細いサイズ（幅 200nm）
の VO
2ナノワイヤを作製しその温度誘起金属 - 絶縁 体相転移を観測した例です。ナノ構造化することに より通常の薄膜と比較して非常に急峻な抵抗変化（変 化率 ( 1/ρ )(∂ρ/∂T ) にして 100 倍以上）が観測さ れています
6)。これはナノ制限空間内に少数の微細 な金属相ドメインがトラップされ、バルク試料で観 測されるよりも急峻な金属 - 絶縁体相転移を観測で きたと考えられ（ナノ構造増感）、この効果を積極 的に利用することで、通常のスケーリングによる省 電力化に加え一層の性能向上が実現できると期待し ています。
3．酸化物ヘテロ構造デバイス
上記のような強相関物性は、通常は、温度や磁場
で制御されますが、現在の半導体デバイスのように
電気や光を用いて制御できれば、微弱なエネルギー
により大きな変化を自ら生じる為、超低消費電力エ
図 3 (a) 強磁性半導体酸化物 (Fe,Zn)3O4 エピタキシャル薄膜の断面透過型顕微鏡像とイオ ン液体ゲート電界効果デバイス（EDLT）の光学顕微鏡像。
(b) (Fe,Zn)3O4 結晶構造図と EDLT デバイスの磁気抵抗のバイアス電界スイッチング。
レクトロニクスの実現が期待されます。また金属に 匹敵する巨大な電子密度に加え、電子同士の強い相 互作用が産み出す磁性などの半導体にはない現象を 利用できるため、新奇な機能を併せ持つ革新的ナノ デバイスの創出が期待できます。この為に、強力な 電界を印加可能なゲート誘電体と高品質薄膜結晶を 組み合わせたヘテロ構造デバイスを創製し、電界制 御を目指しています。図 3 は、フェライト磁性体と して知られる亜鉛鉄酸化物（黒さびの一種）の薄膜 において、イオン液体（有機物の電解質）を利用し た電界効果トランジスタ構造（Electric Double Layer Transistor：EDLT）を作製し表面に強電界を印加す ることで、表面酸化状態を可逆的に変化できること を発見した例です。これにより、電気化学的に電気・
磁気特性を書き換えることができることを示しまし た
7)。現在は酸化物の結晶構造や組成を最適化すれ ば、不揮発性のトランジスタ素子が開発できると提 案するとともに、薄膜物質の組成を上手く選定する ことにより化学的制御に加え、電界効果で電子状態 も制御できることを見出しています
8)。
4．極限 3 次元酸化物ナノテクノロジー
更に本物質系の重要かつ興味深い性質は、多電子 系であるため 10nm 以下のサイズのナノ構造体であ っても 10
5個以上の電子を含み、巨大な相転移動作 を示すと予想されている点にあります
1)。この為、
sub-10nm スケールではドーパント密度の空間揺ら ぎにより動作が不安定となる Si などの半導体デバ イスと大きく異なり、ムーアの法則の限界以下でも 魅力的な強相関物性に基づくデバイス動作が期待さ れていますが、そのサイズ限界は明らかではありま せん。機能性酸化物におけるナノスケールの物理現 象は、どこまで小さくなっても相転移が発現するの か？その限界はどこか？どこまで省電力化が可能か？
など、基礎学理および応用展開双方の観点から重要 です。残念ながらナノリソグラフィーを用いた 200nm 以下の酸化物ナノ構造体における物性研究は、
そのナノデバイス展開に向け不可欠であるにも関わ
らず殆ど進んでいないのが現状です。我々はナノイ
ンプリント・リソグラフィー法により 30nm 級のナ
ノワイヤの作製に成功していますが、更に一層小さ
なデバイスを創製し、その機能を明らかにしたいと
図 5 3D ナノテンプレート PLD 法で作製した様々な酸化物ナノ構造（走査型顕微鏡像）。
(a) 酸化亜鉛ナノウォール、
(b) (Fe,Mn)3O4ナノウォール、
(c) エピタキシャル (Fe,Zn)3O4ナノウォール /MgO ナノテンプレートヘテロ構造 （挿入図：ウォール幅の蒸着時間依存性）、
(d) 酸化亜鉛ナノボックスとカソードルミネッセンススペクトルおよびマッピング像、
(e) Mn 酸化物ナノボックス・アレイ。
図 4 (a) 3D ナノテンプレート PLD 法の概念図、
(b) 3D ナノテンプレート PLD 専用成膜装置、
(c) ナノインプリント・リソグラフィーで作製した有機レジストナノテンプレート、
(d) ナノ構造蒸着形成の様子。
