原子レベルで平坦な強誘電体の清浄表面の形成とその基礎電子物性の解明

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強誘電体は応用でも重要な物質で、微細化が進み省電力電子デバイスなど環境問題への応用も開始している。これらの応用では、表面と界面が重要であるが、従来知られていなかった強誘電体の清浄自由表面に電子層が存在することが発見され、強誘電体の基礎を改めて見直す必要がある。最近、この現象が欠陥等によらない本質的なものであることが確定したものの、極く表面で起こるため、表面状態に極めて敏感であることが分り、表面を原子レベルで平坦化、清浄化しないと定量的な物性研究にならないことが判明した。そこで、本研究は、はじめに(1)原子レベルに平坦な清浄表面を持つ強誘電体単結晶の形成方法を確立し、この技術により原子レベルに平坦化清浄化された試料で、(2)超高真空(UHV)中で強誘電体表面電子・ホール層の電気伝導度の絶対値、伝導型などの基礎電子物性を解明することを目的とする。前年より、この原子レベルに平坦な清浄表面を持つ強誘電体単結晶の形成方法の開発と、この技術を元旨にした表面電子ホール層の物性研究に取り組んだ。前年得られた知見を元に物理的、化学的手法をさらに検討した結果、高純度のTSSGチタン酸バリウム単結晶にて原子ステップが確認できる清浄かつ平坦、さらに、酸素抜けのないチタン酸バリウム表面の制御に成功した。これにより、不純物、欠陥による非本質的伝導電子の影響を可能な限り無くし、微小な凹凸による伝導電子のトラップ要因を低下させ、より定量的な電気伝導度計測を可能にした。これを元に作製された試料の各種電気測定を行ったところ、従来の結果と比較してより定量的で明瞭な実験結果が得られた。これにより強誘電体表面電子ホール層が本質的に存在することを明確に示すことが出来た。また、強誘電体の状態を同時に測定できるように測定系を改良して、キャリアタイプなどの新たな知見が得られた。