菅大介 化学研究所准教授、麻生亮太郎 理学研究科博士課程学生（現大阪大学助教）、佐藤理子 同修士課程学生、治田充貴 化学研究所助教、倉田博基 同教授、島川祐一 同教授の研究グループは、ぺロブスカイト構造遷移金属酸化物から構成されるヘテロ構造の界面構造をわずかに変えるだけで、薄膜特性を制御することに成功しました。これは、界面エンジニアリングによる新しい機能特性制御を実証するものです。
本研究成果は、2016年3月7日（英国時間）に、英国科学誌「Nature Materials」で公開されました。
研究者からのコメント
左から島川教授、菅准教授
本研究の成果は、界面構造を介して酸素配位環境を変調させる界面エンジニアリングが、遷移金属酸化物薄膜の機能特性の制御に有用であることを示すものです。このような手法は他の遷移金属酸化物にも適用可能であり、新しい化学組成を持つ物質を合成するような従来の物質探求とは全く異なる材料開発の新しいアプローチによる新しい機能の発現も期待されます。
概要
遷移金属酸化物は、多彩な特性を示し、機能性材料として広く研究されています。近年、原子レベルでの酸化物作製技術が進歩し、急峻に変化する界面構造を有する薄膜や異種材料を接合したヘテロ構造の作製が可能となり、酸化物薄膜の界面やヘテロ構造が新しい物性や機能特性の発現と場として注目されています。このような遷移金属酸化物薄膜やヘテロ構造での新しい機能特性の探索や特性の制御が、基礎科学とデバイス応用展開の両面から重要な課題となっています。
今回、研究グループでは、ペロブスカイト構造酸化物SrRuO 3 とGdScO 3 との間にわずか数原子層厚さのCa 0.5 Sr 0.5 TiO 3 層を挿入し、ヘテロ構造薄膜の詳細な構造と特性を調べました。その結果、SrRuO 3 薄膜層中の酸素配位環境が、ヘテロ界面における遷移金属と酸素の結合角度で決定されていることを見出しました。また、Ca 0.5 Sr 0.5 TiO 3 層の厚さを原子層単位で変化させることで、SrRuO 3 層全体の酸素配位環境が自在に制御でき、さらにはその磁気特性も制御できることを実証しました
1から4原子層厚さのCa 0.5 Sr 0.5 TiO 3 層を界面に挿入したへテロ構造（SrRuO 3 /Ca 0.5 Sr 0.5 TiO 3 /GdScO 3 ）のABF像（上段）、B-O-B（B=Ru、Ti、またはSc）結合角度qの変化（中段）およびヘテロ構造中のSrRuO 3 層の結晶構造の変化（下段）。ABF像では暗いコントラストが原子位置を表しており、酸素を含めたすべての構成原子の位置が明瞭に可視化されている。図中のオレンジ色の線および青色の線は、ぞれぞれCa 0.5 Sr 0.5 TiO 3 /GdScO 3 界面とSrRuO 3 /Ca 0.5 Sr 0.5 TiO 3 界面を示す。ピンク色と緑色の点線は、それぞれGdScO 3 とSrRuO 3 のバルク結晶における結合角度（θ GdScO3 =156度、θ SrRuO3 =168度）を示す。下段の結晶構造では、簡略化のためにAイオン（Sr）は省略している。
詳しい研究内容について
書誌情報
[DOI] http://dx.doi.org/10.1038/nmat4580
Daisuke Kan, Ryotaro Aso, Riko Sato, Mitsutaka Haruta, Hiroki Kurata & Yuichi Shimakawa
"Tuning magnetic anisotropy by interfacially engineering the oxygen coordination environment in a transition-metal oxide"
Nature Materials, Published online 07 March 2016
- 京都新聞（3月8日 29面）および科学新聞（3月18日 4面）に掲載されました。
