2024-06-26 京都大学
菅大介 化学研究所准教授、Yufan Shen 同博士課程学生、治田充貴 同准教授、島川祐一 同教授の研究グループは、大江耕介 ファインセラミックスセンター客員研究員、小林俊介 同主任研究員、Xueyou Yuan 名古屋大学特任助教、山田智明 同教授と共同で、二酸化ハフニウムジルコニウム（Hf0.5Zr0.5O2、HZO）から、わずか結晶格子2個分に相当する厚さ1ナノメートルの二次元強誘電体を作製することに成功しました。
炭素原子1層からなるグラフェンの発見以来、原子層厚さを持つ二次元物質が新しいナノ材料として注目を集めており、その材料開発や電子機能探求が盛んに行われています。しかしながら、現在広く機能材料として使われている酸化物など、共有結合やイオン結合によって構成原子が三次元的に「強く」結合した物質（三次元物質）からは、二次元物質を作製することは難しいと考えられてきました。
本研究グループは、エピタキシャル薄膜成長技術によって、犠牲層となる酸化物層と、1ナノメートルの厚さの二酸化ハフニウムジルコニウムを積層させた試料を作製しました。その後、犠牲層を選択的に除去（エッチング）することで、厚さを維持したまま二酸化ハフニウムジルコニウムのメンブレン結晶が得られることを見出しました。また作製したメンブレン結晶は、その特性評価から、室温において面直方向に13µC/cm2の自発分極を持つことがわかりました。これらの結果は、三次元物質である二酸化ハフニウムジルコニウムから二次元強誘電体が作製できることを実証するものです。開発した二次元強誘電体は、磁性体や超伝導体など様々な機能性物質上へ転写可能です。本研究成果は、強誘電体と機能性材料とを融合させた強誘電デバイスの開発の新しいルートを拓くものです。
本研究成果は、2024年6月25日に、国際学術誌「Nature Communications」にオンライン掲載されました。
研究概要図
詳しい研究内容について
二次元強誘電体の作製に成功―強誘電体デバイス開発の新しいルートを開拓―
研究者情報
研究者名：菅 大介
研究者名：YUFAN SHEN
研究者名：治田 充貴
研究者名：島川 祐一
書誌情報
【DOI】
https://doi.org/10.1038/s41467-024-49055-w
【書誌情報】
Yufan Shen, Kousuke Ooe, Xueyou Yuan, Tomoaki Yamada, Shunsuke Kobayashi, Mitsutaka Haruta, Daisuke Kan, Yuichi Shimakawa (2024). Ferroelectric freestanding hafnia membranes with metastable rhombohedral structure down to 1-nm-thick. Nature Communications, 15, 4789.
