電流印加によるナノカーボンの構造変化と抵抗変化の関係解明

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電流による物質の物性変化は、電流による抵抗変化を用いた抵抗変化型メモリ（ReRAM）などに応用されている。炭素膜を抵抗変化層に用いたReRAMでは、絶縁性のダイヤモンドを構成するsp3結合の炭素と、導電性のグラファイトを構成するsp2結合の炭素の割合が変化することで抵抗変化が生じると考えられているが、電流によるsp3－sp2構造変化が生じるかどうかを直接的に観察した例はあまり報告されていない。本研究では、電流による構造変化の直接観察を行うために、試料作製や観察の方法を検討する。初年度の2022年度は、2種類の試料作製方法を検討した。第1の方法では1㎝×3cmにカットした酸化膜付きSi基板上に非晶質炭素（a-C)膜と銅（Cu）の積層膜を堆積し、試料の両端に電極膜をつけて、電流を面内方向に流すようにした。第2の方法では、観察する抵抗変化の場所が特定しやすいように、フォトリソグラフィーによるパターニングと、斜め蒸着によるシャドー効果により形成したナノギャップ間にa-C膜を形成し、局所的に面内方向の電流を流す試料を作製した。試作の結果、150nmのギャップが形成できた。また第1の方法で作製した試料に7A以上の電流を流した時に、Cu膜に破断が生じ、破断箇所近傍のa-C膜の構造を、X線光電子分光（XPS）とラマン分光で分析した。その結果、電流印加後にa-C中のsp2結合が増加していることがわかった。この結果は、a-Cの構造変化がXPSやラマン分光により観察できることと、電流印加に伴う構造変化の可能性を示している。ただし第1の方法の試料では、電流が主に低抵抗のCu層を流れていると考えられ、熱により生じた変化の可能性もあるため、a-C中の電流による構造変化と特定することはできない。第2のナノギャップ試料では、a-C層のみに局所的に電流を印加できるため、電流効果の特定が今後期待できる。