強誘電体の傾斜したバンド構造を観測――高速、大容量のFeRAMや人工シナプスの開発へ

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産業技術総合研究所(AIST)は2020年7月3日、大型放射光施設(SPring-8)の高輝度X線を用い、広角対物レンズを取り入れた新型の硬X線角度分解光電子分光実験により、強誘電体の電気分極に由来する傾斜したバンド構造の観測に成功したと発表した。

強誘電体は自発的な電気分極を持つ。そのため電荷を蓄えられ、さらに電気の流れ方を制御できる。この物性の起源は傾斜したバンド構造にあるとされている。しかし、傾斜したバンド構造の実証がなされずにデバイスの開発がなされてきた。

そこで研究者らは、高品質な薄膜試料合成技術を用いて、電気分極が単一配向した強誘電体薄膜を精密合成。強誘電体の電気分極に由来する傾斜したバンド構造を、大型放射光施設SPring-8の高輝度X線を用いた深さ分解測定で観測することを計画した。

SPring-8のBL47Xビームラインには、放射光硬X線とX線照射により飛び出す光電子の角度を保ったまま検出できる広角対物レンズを組み合わせた実験装置がある。従来の装置では、機械的に光電子検出器と試料表面のなす角度を変えることで試料深さの異なる領域から発生する光電子を観測していた。そのため、時間がかかるだけでなく局所領域の精密な測定が困難だった。

実験で用いた装置は、1μm程度に集光させたX線を試料にピンポイント照射できる。また、局所領域における試料表面から深い部分にかけて八方に飛び出す光電子を角度(深さ情報)に対してワンショットで取り出し可能だ。この測定手法を、電気分極が単一に配向した強誘電体薄膜に適用し電圧を印加することで、強誘電体に傾斜したバンド構造があることを初めて実証した。

強誘電体の傾斜したバンド構造の実証は、強誘電体を使った不揮発性メモリー(FeRAM)の開発加速につながる可能性がある。また、強誘電体の特異な電気の流れ方はシナプスの情報伝達と似ているため、人工シナプスへの展開も見込まれる。さらには、より微小かつ高速で動作する電子デバイスの電子状態分析の推進を促すことも期待できる。

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