北海道大學研究生院工學研究院的迫田將仁助教和丹田聰教授,與該校研究生院理學研究院的延兼啓純助教和觸媒科學研究所的技術人員下田周平等人組成的研究團隊,發現了薄膜電阻會根據厚度產生週期性振動的現象。
圖1:利用原子力顯微鏡觀察到的CaRuO3超薄膜表面凹凸影像。(供圖:北海道大學)
研究團隊首先利用分子束磊晶法制作了厚度爲0.8~16奈米的層狀化合物CaRuO3超薄膜。迫田助教說:「最初試製的是Ca2RuO4,但析出的均爲CaRuO3,所以隨着研究的推進,我們發現CaRuO3薄膜更容易製作,減量其厚度可以人工創造出二維電子系統。」原子力顯微鏡證實,其表面粗糙度爲199皮米,平坦度與原子的尺寸相當。
接下來研究團隊測量了不同厚度的CaRuO3超薄膜電阻率。發現了電阻率會根據薄膜的厚度以2.5奈米爲週期變化的現象。在室溫和低溫下最大分別出現了3位數和9位數以上的巨大變化,這是用常規的尺寸效應無法解釋的,表明化合物特有的電子狀態對此做出了貢獻。
圖2:厚度爲7-10nm的CaRuO3超薄膜電阻率對溫度的依賴性。(供圖:北海道大學)
這種厚度上的微小差異引起的巨大電阻變化,以前從未有過報導。在以鉍材料爲代表的量子尺寸效應中,室溫下觀測到了10%以下的電阻率變化,即使在低溫下也只觀測到了約數倍的電阻率變化,但此次的發現表明在室溫下性能可提高1萬倍,低溫下的性能可提高10億倍以上。這將改寫現有的概念,在室溫和常壓下實施了達到實用水平的巨大變化。
圖3:厚度爲1-16nm的CaRuO3超薄膜在4k和300k溫度下的電阻率圖。(供圖:北海道大學)
迫田助教表示:「我們目前正在試製基於CaRuO3的電子器件。此次發現的新尺寸效應能在室溫和常壓下引起巨大的電阻變化,因此我們認爲可將其開發成在生活環境下運行的器件。」
原文:《科學新聞》
翻譯編輯:JST客觀日本編輯部