ローンペア酸化物における電子局在性制御による材料設計指針の構築

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2価Snを有する酸化物において，ローンペア電子と呼ばれる孤立電子対は試料の電子構造と結晶構造の両面において重要な役割を担っている．本研究では，ローンペア電子を有する酸化スズ(SnO)について，電子物性測定やX線光電子分光法等の実験手法と，第一原理計算の双方からアプローチすることで，ローンペア電子と物性の相関に関して評価を行うことを目的としている．平成26年度には，パルスレーザー堆積法により作製したヘテロ界面試料の断面透過電子顕微鏡(TEM)観察を行った．SnOとY添加ZrO2(YSZ)単結晶基板とのヘテロ界面において断面TEM観察を行い，界面構造を詳しく調べた結果，SnOとYSZの結晶は第二相や不純物などのない急峻な界面を有していることがわかった．また，X線光電子分光測定により価電子帯上端や内殻の電子状態の測定を行った．X線電子分光の結果と第一原理計算の結果を合わせて考慮すると，ローンペア電子は価電子帯上端に状態密度を有し，正孔の伝導に寄与していることが示唆された．また，試料の作製条件とフェルミ準位の関係を評価した結果，成膜時の酸素分圧によってフェルミ準位がシフトし，試料の電気伝導性をp型からn型まで制御可能であることを明らかにした．n型試料における電子移動度は，p型試料における正孔移動度と同程度かそれよりも高く，伝導帯下端が比較的広がったSnの軌道により構成されていることと矛盾しない．また，n型試料における電子の活性化エネルギーはp型試料において求めた正孔の活性化エネルギーよりも高く，第一原理計算による欠陥形成エネルギーの結果と同様の傾向がみられた．