1【契約時】ATMの画面遷移とご注意事項①...ATMカードローンの機能(ご利用限度枠)が セットされます。 1 1.【契約時】ATMの画面遷移とご注意事項①
放射光を用いた遷移金属酸化物の外場誘起相転移の研究 奥山 ...2015/06/12...
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放射光を用いた遷移金属酸化物の外場誘起相転移の研究奥山大輔 東北大学多元物質科学研究所
1. イントロダクション
2.870
2.865
2.860
2.855
2.850
c [A
]
150100500Temperature [K]
V1-xWxO2x=0.065
before irradiationafter irradiation
10-4
10-3
10-2
10-1
100
101
Res
istiv
ity [Ω
cm] Device structure
Irradiated area
デバイス上で電気抵抗とX線回折の同時測定
D. Okuyama et al., Appl. Phys. Lett. 104, 023507 (2014).
外場印加により絶縁体から金属への相転移を示す物質群は、デバイスへの応用の観点から注目されている。負の巨大磁気抵抗を示すペロブスカイトMn酸化物や、電界による絶縁体金属転移を示すVO2はその典型例であり、相転移に伴う結晶構造変化や相分離の出現が報告されている。これらの情報より、外場誘起相転移の発現機構を決定することが期待されている。
電気二重層(EDL)トランジスタにおける電界誘起絶縁体金属転移
VO2/TiO2(001) EDL-transistorGateChannel
DEME-TFSI ionic liquid
回折計概念図 金蛍光測定 デバイス写真
103
104
105
106
107
Shee
t Res
ista
nce
[Ω]
300250200150Temperature [K]
VO2/TiO2(001)
VG=1.5 V
VG=0 V
80
60
40
20
0
Inte
sity
[cps
]
1.461.441.421.4d [Å]
(0 0 2)
T=150 KVG=1.5 V
T=150 KVG=0 V
T=315 KVG=0 V①
①
②
②
③
③
電界誘起相転移の過渡状態420
-2V G [V
] T=305 K
140
120
100
80
60
Shee
t Res
ista
nce
[Ω]
40003000200010000Time [sec]
VG=0
60
50
40
30
20
10
0
Inte
nsity
[cou
nts]
1.461.451.441.431.42d [Å]
(0 0 2)T=305 KPristine
VG=3.5 V
VG=0 V
VG=-0.5 V
VG=-0.5 V
VG=-1 V
VG=-1 V
VG=-2 V
デバイス上で電気抵抗とVKβ-X線発光分光の同時測定
M. Nakano et al., Nature. 487, 459 (2012).
103
104
105
106
Res
ista
nce
[Ω]
300250200150Temperature [K]
VG=2.5 V
VG=-1.5 V9x10-3
8
7
6
5
Inte
sity
[arb
. uni
ts]
5.525.55.485.46Energy [keV]
V0.98W0.02O2/TiO2(001)EDL-transistorT=150 K
VG=2.5 VVG=-1.5 V
6x10-2
5
4
3
2
1
0
Inte
sity
[arb
. uni
ts]
5.525.55.485.46Energy [keV]
V0.98W0.02O2/TiO2(001)Mono-film
T=150 KT=300 K
電界印加の絶縁体金属相転移は、X線、圧力、熱誘起の相転移とは異なる機構
・ 電界誘起金属相はc軸長が増大。 (X線、圧力、熱誘起金属相と逆)・ 秒単位の非常に遅い電場応答。・ 電界誘起金属相の発光分光の 結果は熱誘起の金属相に類似。 (二量体化消失?)
チャネルサイズ50μm×200μmビームサイズ~10μm(デフォーカス)
X線照射前 X線照射後
2. 研究目的と実験 外場誘起相転移を示す物質で、外場下のX線回折、電気抵抗等のマクロな物性とX線回折/分光の同時測定で得られる情報から、絶縁体金属転移の発現機構を議論する。
目的
実験
使用ライン: KEK-PF, BL-3A and 4C、使用エネルギー: E=9.5~10 keV
(全薄膜は基板にクランプ)
・ VO2/TiO2(001)薄膜(80 nm): X線、圧力誘起相転移・ [Pr0.5Ca0.5MnO3/La0.5Sr0.5MnO3]15/LSAT(011)超格子(40 nm): 磁場誘起相転移
使用ライン: SPring-8, BL-19LXU, BL39XU、使用エネルギー: E=5~12.4 keV・ VO2/TiO2(001) & V0.98W0.02O2/TiO2(001)薄膜(10 & 40 nm): 電界誘起相転移
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
Y-s
tage
[mm
]
-2.4 -2 -1.6 -1.2Z-stage [mm]
V1-xWxO2/TiO2(001)薄膜おける金属絶縁体転移と構造相転移(KEK-PF)
D. Okuyama et al., Phys. Rev. B 91 064101 (2015).
VO
Dimer
・ VO2薄膜のX線、圧力、電界誘起相転移(KEK-PF, SPring-8)
・ Pr0.5Ca0.5MnO3/La0.5Sr0.5MnO3超格子の磁場誘起相転移(KEK-PF)
V1-xWxO2薄膜のX線照射下での電気抵抗とX線回折の同時測定(KEK-PF)
2.860
2.855
2.850
2.845
c [A
]
irradiatednot irradiated
x=0.05
2.895
2.890
2.885
2.880
c [A
]
150100500Temperature [K]
x=0.11
Inte
nsity
[arb
. uni
ts] (0 0 2)
7 K20 K30 K
40 K60 K
x=0.05
Inte
nsity
[arb
. uni
ts]
0.70.69q* [Å -1]
x=0.117 K
20 K
30 K40 K60 K
Dimerized Insulator Another type
Insulator
Metal
300
200
100
0
Tem
pera
ture
[K]
0.160.120.080.040x
V1-xWxO2M-I transitionpersistent I-M V1-xWxO2薄膜の低温金属相近傍の
絶縁体領域の広い組成で構造変化を伴う永続的なX線誘起絶縁体金属相転移
K. Shibuya, D. Okuyama et al., Phys. Rev. B 84, 165108 (2011). D. Okuyama et al., Phys. Rev. B 91 064101 (2015).
10-3
10-1
101
Res
istiv
ity [Ω
cm] V1-xWxO2/TiO2(001)
x=0.02
x=0.09
x=0.11x=0.065
2.892.882.872.862.852.84
c [A
]
x=0.02
x=0.09
x=0.11
x=0.065
1.2x10-3
0.8
0.4
0Inte
nsity
[arb
. uni
t]
300250200150100500Temperature [K]
(0 -1/2 3/2)x=0.02
x=0.09x=0.11
x=0.065
x 1/100
V1-xWxO2薄膜の電界下での電気抵抗とX線回折の同時測定(SPring-8)
10
8
6
4
2
0
m
3002001000Temperature [K]
3.02.01.00
Magnetization [µ
B ]
[PCMO(m)/LSMO(10-m)]TCO/OO
FM
CO/OO+FM
CO/OO
PM
H = 5 kOe
a
bcMn3+
Mn4+
10-2
10-1
100
101
Res
istiv
ity [Ω
cm]
3002001000Temperature [K]
Pr0.5Ca0.5MnO3on LSAT(011)
0 Tesla
14 Tesla
12 Tesla
1.5x104
1.00.5
Inte
nsity (-1/4 9/4 2)
PCMO(5)/LSMO(5)
3.0
2.0
1.0
0
Mag
netiz
atio
n [µ
B/M
n]
300250200150100500Temperature [K]
LSMO (10-m)
substrate
PCMO (m)
[m/10-m] superlattice
LSMO (10-m)
PCMO (m)
15
LSMO
PCMO
LSMO
LSAT
a
c b
Mn3.5+
La/Sr
Mn3+
Mn4+
Pr/Ca
10-310-210-1100101
Res
istiv
ity [Ω
cm]
PCMO
LSMO
PCMO(5)/LSMO(5)
3.0
2.0
1.0
Mag
netiz
atio
n [µ
B/M
n]
3002001000Temperature [K]
PCMO(5)/LSMO(5)
PCMO(3)/LSMO(7)
PCMO(7)/LSMO(3)
ペロブスカイトMn酸化物と超格子の磁場誘起相転移
ラウエフリンジ減衰の解析から得られる相分離状態の磁場変化
Para mag.
PCMO
LSMO
Ferromag.
PCMO
LSMOFerromag.
CO/OOPCMO
LSMO
PCMO
LSMO
10-3
2
46810-2
2
468
Res
istiv
ity [ Ω
cm]
-4 0 4Magnetic field [Tesla]
1 T
2 T
4 T
6 T
PCMO(5)/LSMO(5)T=5 K
-2
0
2
Mag
netiz
atio
n [µ
B/M
n]
-4 0 4Magnetic field [Tesla]
1 T2 T
4 T6 T
T=5 K
PCMO
LSMO
PCMO
LSMO
M. Nakamura et al., Adv. Mater. B 22, 500 (2010).
電荷軌道秩序絶縁体/強磁性金属の相境界を低磁場で制御
電荷軌道秩序と強磁性の相分離
D. Okuyama et al., to be submited.
1.5x107
1.0
0.5
0
Inte
nsity
[cps
]
0.7040.7020.70.6980.6960.694
x=0.065(0 0 2)
0 sec2000 sec100 sec
50 sec
200 sec
2.5x107
2.0
1.5
1.0
0.5
0
Inte
nsity
[cps
]
0.6960.6940.6920.690.688q* [A-1]
x=0.11(0 0 2)
0 sec2000 sec100 sec
50 sec
200 sec
X線照射光子数に対する絶縁相体積の減衰過程は
x-rayp
1000
800
600
400
200
0
Inte
nsity
[arb
. uni
ts]
5x10150Photon number [photon/cm2]
V1-xWxO2T=7 K
x=0.02x=0.05x=0.065
1000
800
600
400
200
0
Inte
nsity
[arb
. uni
ts]
5x10150Photon number [photon/cm2]
x=0.11x=0.17
I = I0 exp(-pn)の関係式に従う。
X線照射により確率pで有限の絶縁体領域が金属に
3. 実験結果
1.65
1.60
1.55
1.50
1.45
1.40
1.35
L [r.
l. u
.]
-0.6 -0.5 -0.4K [r. l. u.]
(0 -1/2 3/2)x=0.065T=100 K
1.65
1.60
1.55
1.50
1.45
1.40
1.35
L [r.
l. u
.]
-0.6 -0.5 -0.4K [r. l. u.]
(0 -1/2 3/2)x=0.065T=200 K
DimerizedInsulator
Metal
DimerizedMetal
・ 2つの絶縁体相は異なった構造。・ 二量体化は必ずしも絶縁体相転移を伴わず。・ c軸長増大と絶縁体化は強く結合。・ 超格子反射位置は電子ドープに対し不変。・ 0.02 xでVariable rage hopping伝導。
300
250
200
150
100
50
0
Tem
pera
ture
[K]
0.150.10.050 x
V1-xWxO2SuperlatticeResisitvity
Another typeInsulator
-8
-6
-4
-2
0
2
4
lnρ
[Ωcm
]
0.020.0101/T [K-1]
Arrhenius plot(thermal activation)
x=0.00 x=0.02
x=0.11
0.40.350.30.25T-1/4 [K-1/4]
x=0.00x=0.02
x=0.11
Variable range hopping
V1-xWxO2薄膜では、
W置換によるランダムポテンシャルc軸長増大によるバンド幅減少
Mott-Anderson転移
電気抵抗とX線回折の同時測定永続的なX線誘起相転移の発見
パイエルス機構を否定
X線誘起相転移の過渡状態
VO2結晶構造
4. 次世代光源で期待されること
103
104
105
106
107
108
109
Shee
t Res
ista
nce
[Ω]
30025020015010050Temperature [K]
VG = 0.0 V
0.4 V
0.5 V0.6 V
0.7 V
0.9 V
Gate
Channel
K-B mirrorSynchrotron
Detector
Ionic liquid
5. 謝辞Supervisor: 有馬孝尚先生(東大新領域)田口康二郎先生(理研CEMS)岩佐義宏先生(東大物工)川崎雅司先生(東大物工)十倉好紀先生(東大物工)
KEK-PFでの実験: 熊井玲児さん(KEK-CMRC)若林裕助さん(阪大)小林賢介さん(KEK-CMRC)山崎裕一さん(KEK-CMRC)中尾裕則さん(KEK-CMRC)村上洋一先生(KEK-CMRC)
SPring-8での実験: 大隅寛幸さん(理研SPring-8)竹下聡史さん(KEK-CMRC)S. Tardifさん(CEA-Grenoble)水牧仁一朗さん(JASRI)高田昌樹先生(理研SPring-8)VO2薄膜作製者: 渋谷圭介さん(産総研)中野匡規さん(東大物工)
超格子作製者: 中村優男さん(理研CEMS)