ダイヤモンドに添加したリン原子の立体原子配列の解明－ダイヤモンドデバイスの性能向上に貢献－
- これまでにない高倍率、高分解能を実現する光電子ホログラフィーを利用し、ダイヤモンドに添加したリン原子の2種類の原子配列およびその配向を世界で初めて観測することに成功しました。
- 添加原子の原子配列と電気的状態や結晶成長との関係性を明確化できることから、ダイヤモンドを使用したデバイスの性能向上に貢献することが期待されます。
岡山大学異分野基礎科学研究所の横谷尚睦教授、寺嶋健成特任講師（現NIMS特別研究員）、竹田彩元大学院生（博士前期課程修了）ら、公益財団法人高輝度光科学研究センター（JASRI）の松下智裕主席研究員、木下豊彦主席研究員、室隆桂之主幹研究員、国立研究開発法人産業技術総合研究所（産総研）の加藤宙光主任研究員、山崎聡招聘研究員、大阪大学産業科学研究所の小口多美夫教授の研究グループは、ダイヤモンドに添加したリン原子周辺の3次元原子配列構造の観測に世界で初めて成功しました。これは、結晶中の添加元素を選択的に10億倍まで拡大・観察できる、光電子ホログラフィーおよび解析理論の開発による成果です。
宝石として知られているダイヤモンドは、微量元素の添加により高性能な半導体として機能するため、次世代のパワーデバイスや量子センサーなど、革新的なデバイス開発への応用が期待されています。ダイヤモンドデバイス開発においては、電子が電導性を担うタイプの半導体ダイヤモンド作製が必須であり、リン原子は最も有力な添加元素と考えられています。置換位置（ダイヤモンド構造の炭素原子と置き換わった位置）に取り込まれることで、電子性の伝導が得られますが、添加した元素の一部が電導性を阻害する原子配列を形成することが理論的に予測されていました。これまで、適切な研究手法がなかったため、配列構造まで実験的に特定することはできませんでした。
今回、大型放射光施設SPring-8の軟Ｘ線固体分光ビームライン（BL25SU）において、光電子ホログラフィー実験を行い、リン原子の2種類の化学状態の片方は電導性の向上に理想的な構造であり、もう一方は電導性の向上を阻害する原子配列であることを突き止めました。加えて、それぞれの原子配列に配向があることも明らかにし、この配向がダイヤモンドの成長プロセスと密接に関連することも示唆しました。
原子配列や配向の情報を利用すればより高度な試料作製の戦略立案が可能になるため、ダイヤモンドデバイスの高性能化に貢献します。
本研究は、平成26年度に採択された、科学研究費補助金新学術領域研究（研究領域提案型）「3D活性サイト科学」（領域代表：奈良先端科学技術大学院大学 大門寛教授）での分野融合的な連携研究の成果でもあります。
本研究成果は、8月2日付けの米国科学誌「Nano Letters」の電子版に掲載されました。
◆研究者からのひとこと
| この研究は、2005年岡山大学着任後に開始した研究がもとになっています。ダイヤモンド中の添加リンが2種類の化学結合状態を取ることまではわかったのですが、それらが実際何かという問題は未解明でした。実験的に解明することは無理だろうと内心思っていたのですが、光電子ホログラフィーという実験手法で一気に解決してしまいました。未解明の研究課題が、新たな実験技術により解決するという典型的な研究例ですね。 |  横谷教授 |
論 文 名：Asymmetric Phosphorus Incorporation in Homoepitaxial P-Doped (111) Diamond Revealed by Photoelectron Holography掲 載 紙：Nano Letters著 者：T. Yokoya, K. Terashima, A. Takeda, T. Fukura, H. Fujiwara, T. Muro, T. Kinoshita, H. Kato, S. Yamasaki, T. Oguchi, T. Wakita, Y. Muraoka, and T. MatsushitaD O I：http://dx.doi.org/10.1021/acs.nanolett.9b01481
＜詳しい研究内容について＞
ダイヤモンドに添加したリン原子の立体原子配列の解明－ダイヤモンドデバイスの性能向上に貢献－
＜お問い合わせ＞
（研究全般に関すること）
岡山大学 異分野基礎科学研究所
教授 横谷尚睦
（電話番号）086-251-7897
（FAX番号）086-251-7903
0 件のコメント:
コメントを投稿