マグネリ相酸化タングステン薄膜の局所原子構造と電子状態の関係を解明（Epitaxial Stabilization of Magnéli-Like WOₓ Thin Films Reveals Motif-Specific Electronic States）

2026-11-03 パシフィック・ノースウェスト国立研究所（PNNL）

米国パシフィック・ノースウェスト国立研究所（PNNL）などの研究チームは、酸素欠損を持つ酸化タングステン（WOₓ）薄膜において、局所的な原子構造が電子状態や光学特性を決定する仕組みを明らかにした。研究では、酸素分圧を制御してエピタキシャル成長させたWOₓ薄膜を作製し、走査透過電子顕微鏡、X線光電子分光法、X線吸収分光法、分光エリプソメトリーおよび第一原理計算を組み合わせて解析した。その結果、酸素分圧を低下させると、酸素空孔が均一に分布するのではなく、準一次元的な構造を持つマグネリ相が形成され、タングステンの酸化状態もW⁶⁺からW⁵⁺、W⁴⁺へと変化することが分かった。さらに、W⁴⁺が多い原子配置では電子が局在化して光吸収が増大し、中間酸化状態のタングステンでは電子輸送に有利な状態が形成されることを示した。本成果は、原子配列と電子・光学特性の関係に基づく機能性酸化物材料の設計に貢献する。

Under decreased oxygen pressure, oxygen vacancies result in the formation of quasi-one-dimensional channels organized in so-called Magnéli phases in substoichiometric tungsten oxides. (Composite image by Peter Sushko, original images by Jueli Shi | Pacific Northwest National Laboratory)

＜関連情報＞

エピタキシャル安定化されたマグネリ型WO x薄膜のモチーフ依存的な電子特性および光学特性
Motif-dependent electronic and optical properties of epitaxially stabilized Magnéli-like WOx thin films

Jueli Shi; Krishna Prasad Koirala; Mark E. Bowden; Le Wang; Minju Choi; Christie Nelson; Yang Yang; Hua Zhou ; Cheng-Tai Kuo; Jun-Sik Lee ; Peter V. Sushko ; Yingge Du
APL Materials Published:October 26 2026
DOI:https://doi.org/10.1063/5.0355340

Substoichiometric tungsten oxides (WO_x) host multiple W valence states and local W–O coordination motifs, but their respective roles in determining electronic and optical behavior remain less understood. Here, we integrate scanning transmission electron microscopy, x-ray photoemission and absorption spectroscopies, spectroscopic ellipsometry, and density functional theory calculations to disentangle these effects in epitaxially stabilized WO_x thin films with systematically varied oxygen deficiency. Lowering the oxygen partial pressure induces a structural evolution from a pseudocubic WO₃ to W₁₈O₄₉-like Magnéli motifs, together with the gradual emergence of W⁵⁺ and W⁴⁺ states. Motif-resolved calculations show that reduced W sites are electronically inequivalent: W⁴⁺-rich edge-sharing environments are associated with localized in-gap states that enhance subgap optical absorption, whereas intermediate-valence W sites contribute to broader states near the Fermi level that are more favorable for electronic transport. In contrast, W⁶⁺-rich sites contribute primarily to high-energy O 2p-to-W 5d transitions characteristic of pseudocubic WO₃ regions. Together, these results identify local W–O connectivity as a key determinant of electron localization in the WO_x lattice, linking atomic-scale motifs to distinct electronic and optical properties.