小林 正起/KOBAYASHI Masaki

小林 正起 准教授

【研究分野】
ナノ物理・デバイス分野
【研究領域】
スピントロニクス、機能性電子材料、放射光分光、電子構造解析
【研究室URL】
http://www.csrn.t.u-tokyo.ac.jp/srs/

研究内容

半導体や金属といった近代の科学技術を支えている材料は、物質を構成する電子が材料の機能性発現の主な役割を担っています。これら電子が物性を担う物質(電子材料)の物理的な性質(電気伝導性、磁性、光学特性、etc.)を理解するためには、物質内での電子の状態やその振る舞いを調べることが重要となります。そして、その機能性発現の機構を理解することができれば、高性能化や応用に望まれる物性を示す物質創成への手がかりを得ることができます。小林(起)研究室では、機能性電子材料の物性解明や物質設計の指針を得ることを目的として、放射光分光を用いた電子状態解析による基礎的研究を進めています。

研究対象:機能性電子材料

研究対象としている機能性電子材料は、次世代のエレクトロニクスで注目を集める、磁性半導体や遷移金属酸化物などです(図1)。

磁性半導体は、GaAsやTiO2などの半導体に数%の濃度で磁性元素(主に3d遷移金属)を添加した物質であり(図1(a))、半導体と磁性体を合わせた性質を示します。特に強磁性を示す(Ga,Mn)Asや(In,Fe)As:Beなどは、電気伝導を担う電子または正孔キャリアの濃度に依存した強磁性特性を示し、この性質はキャリア誘起強磁性と呼ばれています。この性質のため、磁性半導体は、伝導電子の電荷とスピンの自由度を制御する可能性を秘めた物質としてスピントロニクス(スピン+エレクトロニクス)の分野で注目され、盛んに研究されています。磁性半導体は、母体の半導体と添加する磁性元素の組み合わせによって、強磁性特性発現の有無やキャリアの伝導特性、また強磁性転移温度が変化します。研究室では、磁性半導体の電子構造解析から、組み合わせによる化学的な傾向や電子状態の変化を調べ、物質設計の指標を得ることを目指します。

酸化物は熱的な安定性が高く、従来の半導体材料を置き換える潜在力を持つ物質として注目を集め、酸化物エレクトロニクスを目指した研究が盛んに行われています。その中でも、開殻構造を持つ遷移金属元素を含む酸化物は、電子のスピンや軌道の自由度や電子間相互作用に由来した多彩な物性、つまり超伝導、巨大磁気抵抗効果や金属絶縁体転移などを示すことが知られています。遷移金属酸化物(図1(b))は、これまでの半導体材料では実現できないような、新しい機能性を有するデバイス作製への可能性を秘めています。この遷移金属酸化物を用いた薄膜を数分子層(数nm程度)の厚さにすることで、次元性が低下して量子井戸状態や磁気秩序などの三次元的な単結晶とは異なる性質が発現します。研究室では、酸化物を用いた極薄膜の電子構造解析から、量子サイズ効果が効いてくるナノスケールでの電子の振る舞いに関する基礎的な知見を得ることを目指しています。

研究手法:放射光を用いた分光

 実験は、高輝度のX線を利用できる放射光施設、例えばつくばのPhoton Factory, 兵庫県のSPring-8, スイスのSwiss Light Source(図2)等で行います。放射光施設では明るくよく絞れた光を広いエネルギー範囲で使うことが可能で、放射光は電子構造解析にとって理想的な光源となります。実験手法としては、主にX線吸収分光(XAS)、X線発光分光(XES)と角度分解光電子分光(ARPES)(図3(a))を用います。XASは、内殻準位から非占有準位への励起のエネルギー依存性であり、そのスペクトルは特定の構成元素の化学状態を反映します。特に、磁場下でのXASであるX線磁気円二色性(図3(b))はスピン状態を反映し、元素選択的な磁化測定を可能にします。ARPESは、エネルギーの高いX線を試料に照射した時に光電効果により飛び出てきた電子の運動エネルギー及び放出角度依存性で、価電子帯の状態密度やバンド構造を反映したスペクトルが得られます。当研究室では、これら放射光を用いた分光を組み合わせて、物質の電子構造を明らかにします。

研究テーマの例

磁性半導体(Ga,Mn)Asの強磁性発現機構解明

III-V族磁性半導体(Ga,Mn)Asではキャリア誘起強磁性を示す実験結果が数多く報告されていたが、その強磁性発現機構については長い間論争が続いています。提唱されているモデルはキャリアが遍歴したもの(図4(a))と局在したもの(図4(b))があり、二つのモデルでは価電子帯の構造が大きく異なっています。我々は、ARPESから価電子帯のバンド構造を詳細に調べることで(図4(c))、不純物バンドがフェルミ準位をよぎっていることを明らかにしました。この結果は、XESによる化学状態を調べた結果と良い一致を示しました。(Ga,Mn)AsにおいてはキャリアがMnイオンの周りに弱く束縛されていて、局在モデルに近い状態が実現しており(図4(d))、この弱く束縛されたキャリアが動ける範囲が重なることで、(Ga,Mn)Asは強磁性を発現すると考えられます。

酸化物量子井戸の異常有効質量増大の起源

レーザー分子線エピタキシーというナノスケールの層構造を作り出す手法によりSrVO3の薄膜を一層ずつ合成し、「量子井戸構造(2次元空間)」を作製しました。電子が量子井戸構造内に閉じ込められると、「量子化」と呼ばれる、不連続なエネルギーを持つ状態になります(図5(a))。SrVO3の量子井戸構造では、量子化に伴い伝導電子の動きが鈍くなる(電気抵抗が大きくなることに対応)、つまり、質量が重くなる現象が観測されていました。どのようなしくみで質量が増大しているかを明らかにするために、SrVO3の量子井戸構造における電子の振る舞いをARPESにより調べました(図5(b))。詳しいデータ解析から、量子化した状態のエネルギーが小さくなるにつれて、電子間相互作用の大きさが増大することが分かりました。この結果は、電子間の相互作用が大きくなることが、量子化に伴い伝導電子が重くなる原因であることを示唆しています(図5(c))。

学生へのメッセージ

小林(起)研究室では、国内や海外の研究者と協力しながら主に放射光施設での実験を行い、機能性電子材料の電子構造解析を進めます。最先端の物質における実験や解析をしていると、目の覚めるような思いがけない発見に出会うことがあります。その瞬間を見逃さないためには研究に対する洞察力と基礎知識が必要です。洞察力を高め基礎知識を積み重ねることは、努力を伴い、決して楽ではありませんが、困難な道を登ることで必ず新しい景色が広がります。みなさんの自主性及び独創性と遊び心を大切にして、実験や議論を通して一緒に研究を楽しみたいです。

図1. 機能性電子材料の結晶構造.(a)磁性半導体(Ga,Mn)As.(b)ペロブスカイト遷移金属酸化物ABO3
図2. スイスの放射光施設Swiss Light Source.
図3. 放射光分光の例.(a)角度分解光電子分光.(b)X線磁気円二色性.
図4. (Ga,Mn)Asの強磁性発現機構.(a), (b)遍歴と局在モデル.(c)ARPESから明らかになった価電子帯のバンド構造.(d)実験から提案された強磁性モデル.
図5. SrVO3量子井戸構造の異常有効質量増大の起源.(a)酸化物量子井戸構造.(b)SrVO3量子井戸構造のARPESスペクトル.(c)実験結果から提案されたモデル.