薄膜は「不活性な基板」と相互作用することを解明(Thin Films “Dance” with Substrates That Are No Longer Inert)

2026-07-27 カリフォルニア大学サンディエゴ校(UCSD)

カリフォルニア大学サンディエゴ校(UC San Diego)の研究チームは、薄膜デバイスを支える基板は電気刺激に対して不活性であるという従来の定説を覆し、薄膜と基板が相互に力を及ぼし合う「結合状態」にあることを実証した。研究では、酸化バナジウム(VO₂)薄膜に電圧を印加し、独自開発の暗視野X線顕微鏡を用いて観察した結果、薄膜だけでなく基板にも歪みが生じ、両者がエネルギーを交換していることを初めて確認した。基板の厚さや材質を変えた実験や放射光施設・超高速電子顕微鏡による検証でも同様の結果が得られ、現象の再現性が示された。この発見は、基板を単なる支持体ではなく機能材料として利用できる可能性を示し、基板を介して上下の薄膜デバイスを結合させる三次元集積回路や、低消費電力のニューロモルフィックコンピューティング実現への新たな設計指針となることが期待される。研究成果はScience誌に掲載された。

<関連情報>

酸化物薄膜によって基板に刻まれた動的な非対称歪み Dynamic asymmetric strain imprinted into substrates by an oxide thin film

Elliot Kisiel, Alexandre Pofelski, Pavel Salev, Erbin Qiu, […] , and Alex Frano
Science  Published:18 Jun 2026
DOI:https://doi.org/10.1126/science.adt9347

Abstract

In film-substrate systems, the substrate role is often considered to be limited to providing static mechanical constraints. Dynamic film-substrate interactions when a structural change in the film modifies the substrate are generally disregarded. Using combined x-ray and electron microscopies, we observed that an electrically induced filament in a vanadium dioxide film created strong asymmetric strain in an underlying sapphire substrate. This asymmetric substrate strain fed back into the film and defined the filament expansion direction, revealing the importance of film-substrate dynamic interactions in determining film functionality. Furthermore, the strain imprint propagated at least tens of micrometers deep into the substrate, exceeding the film thickness by more than 200-fold, potentially enabling substrate functionalization as an active mechanical coupling media in three-dimensional integrated microelectronic architectures.

0403電子応用
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