ユニークな金属酸化物の誘電特性の謎を解明(Researchers solve mystery surrounding dielectric properties of unique metal oxide)

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電子デバイスやデータストレージへの応用に向けた新たな知見を提供する研究成果 Research provides new insight for future applications of the material for electronic devices and data storage

2022-06-13 ミネソタ大学

University of Minnesota Associate Professor Bharat Jalan and his students discovered that the true dielectric constant of their strontium titanate films exceeds 25,000—the highest ever measured for this material. Credit: Jalan Group, University of Minnesota

ミネソタ大学ツインシティーズ校が率いる研究チームは、絶縁体にも半導体にも金属にもなる珍しい金属酸化物、チタン酸ストロンチウムに関する長年の謎を解明した。この研究は、この材料を将来、電子機器やデータストレージに応用するためのヒントを与えるものです。
この論文は学術誌「Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS)」に掲載されています。
チタン酸ストロンチウムの高品質なセンチメートルサイズのサンプルは、低温での誘電率が22,000と非常に大きく、応用が期待される。しかし、コンピュータやその他の機器に応用する場合、ほとんどの場合、薄膜が必要とされる。多くの研究者がさまざまな方法で薄膜を作ろうと努力しているが、チタン酸ストロンチウムの薄膜では、100〜1000というわずかな誘電率しか達成されていない。
数原子層の厚さしかない薄膜では、薄膜と基板、あるいは薄膜と次の層の界面が重要な役割を果たすことがある。
この「埋もれた」界面がチタン酸ストロンチウムの真の誘電率を隠しているのではないか、と推論しています。このマスキング効果を注意深く考慮した結果、Jalan教授と学生たちは、チタン酸ストロンチウム薄膜の真の誘電率が25,000を超えることを発見しました。
今回の発見は、現代技術でよく見られるコンデンサー構造で見られる絶縁体と金属の界面の役割について、金属と絶縁体が同じ材料からできている場合でも、重要な洞察を与えてくれるものである。

<関連情報>

誘電率25,000を超えるSrTiO3エピタキシャル膜の作製 Epitaxial SrTiO3 films with dielectric constants exceeding 25,000

Zhifei Yang , Dooyong Lee , Jin Yue , Judith Gabel, Tien-Lin Lee, Richard D. James, Scott A. Chambers  and Bharat Jalan
Proceedings of the National Academy of Sciences  Published:June 2, 2022
DOI:https://doi.org/10.1073/pnas.2202189119

Abstract

SrTiO3 (STO) is an incipient ferroelectric perovskite oxide for which the onset of ferroelectric order is suppressed by quantum fluctuations. This property results in a very large increase in static dielectric constant from ∼300 at room temperature to ∼20,000 at liquid He temperature in bulk single crystals. However, the low-temperature dielectric constant of epitaxial STO films is typically a few hundred to a few thousand. Here, we use all-epitaxial capacitors of the form n-STO/undoped STO/n-STO (001) prepared by hybrid molecular beam epitaxy, to demonstrate intrinsic dielectric constants of an unstrained STO (001) film exceeding 25,000. We show that the n-STO/undoped STO interface plays a critically important role not previously considered in determining the dielectric properties that must be properly accounted for to determine the intrinsic dielectric constant.

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