酸化物初の熱的相変化を活用した電気抵抗スイッチングを実証～多値記憶可能な相変化メモリーデバイスの実現に期待～

2023-09-06

2023-09-06 東北大学

大学院理学研究科化学専攻
助教河底秀幸（かわそこひでゆき）

【発表のポイント】

相変化メモリ^（注¹^）は、電源を切っても記憶した情報が消えない不揮発性メモリの一種で、その動作原理である「熱的相変化を活用した電気抵抗スイッチング^（^注²^）」はこれまでカルコゲナイド物質^（^注³^）でのみ報告されていました。
今回、層状ニッケル酸化物Sr₅Bi_0.5NiO₅を用いて、3つの結晶相について特異な熱的相変化を見出し、酸化物で初となる熱的相変化を活用した電気抵抗スイッチングに成功しました。
相変化メモリ材料の探索領域を大幅に拡張できると同時に、多値記憶可能な相変化メモリの実現に発展する可能性があります。

【概要】
結晶とアモルファスの熱的相変化を活用した電気抵抗スイッチングは、GeSbTe合金などのカルコゲナイドで実証され、不揮発性相変化メモリへの応用が期待されています。一方、酸化物では、金属絶縁体転移^（注^4）や超巨大磁気抵抗効果^（注^5）などの電気抵抗変調に関する膨大な研究があるにもかかわらず、意外にも、熱的相変化を活用した電気抵抗スイッチングは実現していませんでした。

東北大学の河底秀幸助教、松本倖汰博士、福村知昭教授は、筑波大学の西堀英治教授と共同で、層状ニッケル酸化物Sr_2.5Bi_0.5NiO₅を用いて酸化物では初となる熱的相変化を活用した電気抵抗スイッチングに成功しました。

本研究では、(Sr_1.5Bi_0.5)O₂岩塩層とSrNiO₃ペロブスカイト^（注^6）層で構成される層状ニッケル酸化物Sr_2.5Bi_0.5NiO₅を大気下でアニール (熱処理)し、岩塩層のSr/Bi配列の秩序化した結晶相 (秩序相)が、Sr/Bi配列の無秩序化な結晶相 (無秩序相)とダブルペロブスカイト構造Sr₂BiNiO_4.5 (ダブルペロブスカイト相)への変化を介して、元の秩序相に戻る特異な熱的相変化を見出しました。さらに、室温の電気抵抗については、秩序相に対して、無秩序相とダブルペロブスカイト相は、それぞれ10²倍と10⁹倍もの差があり、それぞれスイッチングできることも見出しました。本研究で実現した、3つの結晶相の熱的相変化を活用した電気抵抗スイッチングは、酸化物の電気伝導の研究に新たな視点をもたらすと同時に、多値記憶可能な酸化物を用いた相変化メモリへの発展が期待されます。

本研究成果は2023年9月3日に科学誌Advanced Scienceオンライン版に掲載されました。

図1. Sr_2.5Bi_0.5NiO₅における熱的相変化の概略図。上図は、異なるSr/Bi配列を有するSr_2.5Bi_0.5NiO₅の結晶構造。下図は、本研究で同定したダブルペロブスカイト構造の新物質Sr₂BiNiO_4.5の結晶構造。

【用語解説】
注1　相変化メモリ
不揮発性メモリの一種。電気パルス印加によるジュール加熱でアモルファス相と結晶相を制御し、電気抵抗の高いアモルファス相を「0」、電気抵抗の低い結晶相を「1」として情報を記録する。

注2　電気抵抗スイッチング
電気の流れやすさに対応する電気抵抗に関して、電圧などの制御により、自在に特定の値を行き来できること。

注3　カルコゲナイド
硫黄 (S)、セレン (Se)、テルル (Te)を含む化合物の総称。

注4　金属絶縁体転移
化学組成や温度・圧力などの変化により生じる金属状態 (電気抵抗の低い状態)と絶縁体状態 (電気抵抗の高い状態)の間の相転移。

注5　超巨大磁気抵抗効果
磁気抵抗効果 (外部磁場によって電気抵抗が変化する現象)の中で、電気抵抗変化が著しく大きい場合を指す。

注6　ペロブスカイト
鉱物のチタン酸カルシウム (CaTiO₃)の名称。チタン (Ti)原子を酸素 (O)原子が包んだ八面体格子が立体的につながり、4つの八面体格子の中央にカルシウム (Ca)イオンがある。同様に金属原子をカルコゲンイオンが取り囲む八面体構造をとり、4つの八面体の中央に陽イオンが存在する構造をペロブスカイト構造と言う。この構造を持つ物質は高温超電導体などに応用されている。

詳細（プレスリリース本文）