大型放射光施設 SPring-8

公開日

2016年08月31日

2016年8月31日
東京大学物性研究所
高エネルギー加速器研究機構（ＫＥＫ）
東京工業大学

発表のポイント
◆代表的な金属酸化物であるチタン酸ストロンチウム(SrTiO₃)基板上に数原子層のルテニ ウム酸ストロンチウム（SrRuO₃）を積層させたヘテロ接合界面において、SrRuO₃ の膜厚に よって光学応答を任意に制御できることを発見した。
◆本研究成果を元に、光機能に合わせたヘテロ構造をオンデマンドで作製できる。
◆SrTiO₃ は可視光は透過するが紫外線を吸収する半導体材料であり、SrRuO₃ 層も原子レベ ルに薄いので高い可視光透過性を持つ。そのため紫外線から守りかつ透明な太陽電池の新 素材としての可能性があり、今後の応用が期待される。

背景
　携帯電話やパソコンだけでなく、車や家電製品などにも昨今高性能な電子機器が組み込まれ、その性能向上への要求はとどまることがありません。一方で、近年はエネルギー不足や環境問題も顕在化しており、太陽光などのクリーンエネルギーの活用も必須課題になっています。そのため、新しい動作原理に基づくデバイスや新機能材料の開発に高い期待が寄せられるようになっています。その中で金属酸化物は次世代の材料として注目を集め、特に微細化の究極の形である表面・界面層での電子・光学的動作に高い関心が持たれています。チタン酸ストロンチウム SrTiO₃ は代表的な金属酸化物であり、最近その表面は特異な電子特性を示すことが分かってきました。しかしながら SrTiO₃ 表面の光学応答に関する報告はほとんどありませんでした。

研究成果
　本研究グループでは、SrTiO₃ 結晶と格子定数の近いルテニウム酸ストロンチウム SrRuO₃ を SrTiO₃ 基板上に数原子層成長させて、SrRuO₃／SrTiO₃ のヘテロ構造を作製しました。本成膜ではレーザーを用いた結晶成長法で実施しました。そして SPring-8 の高輝度軟 X 線ビームラインで光電子分光測定を行ったところ、SrRuO₃ 原子層の膜厚に依存して SrRuO₃ 膜の電子状態が半導体から金属に変化し(図１)、それに伴い SrTiO₃ 基板はキャリア電子密度が高い状態から低い状態に変わることが分かりました。さらに光電子分光の時間分解測定を実施したところ、ヘテロ構造にすることで 200 倍もの高い光学応答性を示すようになり、さらにヘテロ構造の電子構造変化に対応して光起電力とその緩和時間も変わることが分かりました（図２）。そして得られた結果を元に、数値シミュレーションを実施したところ、この光学応答の変化に必要な光キャリアの量やダイナミクスを明らかにすることができました。

今後の展開
　本研究により SrRuO₃／SrTiO₃ のヘテロ構造において、光起電力が発生することが分かり、さらにそのダイナミクスも明らかにすることができました。本成果を元に、光機能に合わせたヘテロ構造をオンデマンドで作製できることでしょう。また、SrTiO₃ は紫外線を吸収する半導体材料で SrRuO₃ 層も原子レベルに十分に薄いため、このヘテロ構造は人の目には見えません。そのため紫外線から守りかつ電力を作る窓などの新しい機能性デバイスにも本成果が活かされると期待されます。

【用語解説】
（注１）光電子分光法：
金属や半導体などの固体に紫外光以上のエネルギーを持つ光を照射すると、電子が放出される。この電子を光電子と言い、光電子のエネルギーを分析することで固体表面の電子構造を知る実験法を光電子分光法という。特に原子核周りの電子(内殻電子)を分析すると、元素選択的に情報をとることができる。