酸化物界面における「隠れた電荷移動経路」を特定 -従来の半導体物理では考慮されていなかった界面における 「化学結合ネットワーク」の重要性を実証-

2026-07-14 東北大学

東北大学と高エネルギー加速器研究機構(KEK)の研究グループは、高輝度放射光を用いた共鳴光電子分光法により、酸化物ヘテロ界面で自発的に生じる電荷移動を可視化し、従来の半導体理論では考慮されていなかった**化学結合ネットワーク(p-d-p混成ネットワーク)**が電子伝導に重要な役割を果たすことを初めて実証した。解析の結果、界面から電子が広がる「電荷移動の減衰長(染み出し長)」は、従来の半導体接合理論が予測する値より数倍長く、電子はトンネル効果だけでなく、化学結合ネットワークを介してバリア層内部まで長距離伝播することが明らかになった。この成果は、酸化物界面で観測される従来理論では説明困難な現象の理解につながるとともに、界面化学結合を考慮した新たな理論構築や、機能性酸化物を用いた次世代エレクトロニクス・スピントロニクスデバイスの高性能化に向けた設計指針を提供するものである。

酸化物界面における「隠れた電荷移動経路」を特定 -従来の半導体物理では考慮されていなかった界面における 「化学結合ネットワーク」の重要性を実証-
図1.酸化物界面における化学結合ネットワーク(p-d-p混成ネットワーク)の概念図

<関連情報>

酸化物ヘテロ構造における固有の電荷移動を防止するための障壁層の役割
Role of barrier layer to prevent inherent charge transfer in oxide heterostructures

Ryotaro Hayasaka;Yuuki Masutake;Seitaro Inoue;Daisuke Shiga;Kenichi Ozawa;Hiroshi Kumigashira
APL Materials  Published:July 01 2026
DOI:https://doi.org/10.1063/5.0336589

The insertion of a barrier layer between two different materials is an essential technique used to maintain the properties of those materials at the interface and achieve the desired device performance. Advances in the design of multifunctional devices based on oxides require an improved understanding of how charges transfer across a barrier layer. We investigate the change in the inherent charge transfer between the SrNbO3 and SrTiO3 by inserting a SrZrO3 barrier layer with controlled layer thickness. Ti 2p–3d resonant photoemission was used to observe the Ti 3d states near the Fermi level. Taking advantage of its elemental selectivity, we directly visualize the change in charge transfer from SrNbO3 to SrTiO3 depending on the barrier layer thickness of SrZrO3. It is found that the amount of charge transfer decays with a decay length of 1.0–1.2 nm with increasing barrier layer thickness. This value is much longer than the estimated value of 0.2 nm based on the electron tunneling model, suggesting that the extended dpd hybridization network formed at the interface plays an important role for the interfacial charge transfer. Our findings offer useful guidelines for the design and control of functionalities in oxide-based heterostructures.

0403電子応用
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