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平成22年10月26日

独立行政法人 物質・材料研究機構
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独立行政法人 科学技術振興機構(JST)
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ナノの積木細工で世界最小の強誘電体

―究極のメモリ実現に向けた新しい道―

1. 独立行政法人 物質・材料研究機構(理事長:潮田 資勝) 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点(拠点長:青野 正和)の長田 実 MANA研究者、佐々木 高義 主任研究者らの研究グループは、分子レベルの薄さのナノ物質(酸化物ナノシート注1))を使ったナノの積木細工で、世界最小の強誘電体の開発に成功した。

2. 強誘電体は、絶縁体の一種で、外部より与える電圧の向きに応じて電気分極注2)のプラス、マイナスが反転し、しかも電圧がゼロとなっても分極が保たれる性質を持つ物質である。この性質を利用した強誘電体メモリ注3)は、高速書き換えが可能、電源を切っても記憶内容が消えない、消費電力が少ないなどの優れた特徴があり、ユビキタス社会の基盤となる「究極のメモリ」として期待されている。強誘電体メモリの高機能化には、強誘電体の薄膜化が必要不可欠であるが、従来の材料では、ナノレベルまで薄膜化すると分極特性が低下するという問題があり、これがメモリ開発の大きな障害となっていた。

3. 今回、研究グループは、ナノレベルで機能する強誘電体を開発する新しい手法として、子供のブロック遊びのように、ナノ物質で積木細工をする人工超格子注4)技術に注目した。2種類の酸化物ナノシート(CaNb10、LaNb)を合成し、ナノの積木細工で、2種類を交互に積み重ねた人工超格子を作製した。さらに、強誘電性実現のためのひと工夫として、プラスに帯電した分子をのりにして、ナノシート同士をつなぎ合わせ、接合界面付近のイオンが変位し、分極しやすくなるような環境を整えた。そして作製した人工超格子が、実際に強誘電体になることを発見した。この人工超格子は、世界最小レベルの膜厚10nmの極薄膜ながら、室温で優れた強誘電性を示すことを確認した。

4. 今回の成果は、強誘電体ナノ材料の開発に向けて新たな設計指針を与えると同時に、強誘電体ナノ薄膜が持つ低電圧動作という特徴を利用した低消費電力型メモリやICカードへの応用展開が期待される。

5. 本研究は、独立行政法人 科学技術振興機構 戦略的創造研究推進事業 チーム型研究(CREST)「ナノ科学を基盤とした革新的製造技術の創成」研究領域(研究総括:堀池 靖浩)における研究課題「無機ナノシートを用いた次世代エレクトロニクス用ナノ材料/製造プロセスの開発」(研究代表者:佐々木 高義)の一環として行われたもので、「ACS NANO」誌(米国化学会発行)のオンライン速報版に近日中に掲載される予定である。

<研究の背景>

強誘電体は、絶縁体の一種で、外部より与える電圧の向きに応じて電気分極のプラス、マイナスが反転し、しかも電圧がゼロとなっても分極が保たれるというユニークな性質を示す物質である。代表的な物質には、チタン酸バリウムやジルコン酸チタン酸鉛Pb(Zr,Ti)O(PZT)注5)などがあり、メモリ、キャパシタ、センサ、圧電素子、光学素子など、多種多様な電子デバイスに応用されており、現代の電子技術に欠かせないものとなっている。中でも、強誘電体を利用したメモリ(FeRAM)は、高速書き換えが可能、電源を切っても記憶内容が消えない、消費電力が少ないなどの優れた特徴があるため、ユビキタス社会の基盤となる「究極のメモリ」として期待されている。こうした強誘電体メモリの高機能化のためには、ナノレベルの膜厚で安定に動作する強誘電体薄膜の利用が不可欠である。しかしながら、現在候補材料となっているPZTなどの強誘電体は、使用中に強誘電体薄膜の分極特性が徐々に変化するという安定性の問題や、ナノレベルまで薄膜化すると分極特性が低下するという動作限界の問題があり、メモリ開発の大きな障害となっていた。

<研究成果の内容>

今回、研究グループは、ナノレベルの膜厚で安定に動作する強誘電体を開発する新しい手法として、子供のブロック遊びのように、ナノ物質を使って積木細工をする人工超格子技術(図1)に注目した。人工超格子技術とは、江崎 玲於奈 博士によって発明された技術で、複数の種類の結晶格子を重ね合わせ、積層の厚さの加減や原子の種類の選択により、電気特性を自由に制御することができる技術である。今回、研究グループは、この人工超格子技術を、分子レベルの薄さのナノ物質(酸化物ナノシート)に応用し、強誘電体でないナノ物質の重ね合わせから、世界最小の強誘電体の開発に成功した。

今回の実験には、PZTと類似した構造を持つ、2種類のペロブスカイトナノシート(A=CaNb10、B=LaNb)を用いた。室温での化学処理により、層状酸化物(KCaNb10、KLaNb)の粉体試料を層1枚までバラバラにはく離し、厚み1〜2nm、横サイズ約10μmのシート状形状を有する2種類のペロブスカイトナノシート(A=CaNb10、B=LaNb)を作製した(図2)。このナノシートは、水に分散したコロイド溶液として得られるため、環境にやさしい水溶液プロセスを用いたナノの積木細工で、ナノシートを1層ずつ精密に積み重ね、A、Bを交互に積層した人工超格子を作製した(図3)。さらに、強誘電性実現のためのひと工夫として、プラスに帯電した分子をのりにして、ナノシートを静電的につなぎ合わせた。これにより、電圧をかけた時に接合界面付近のイオンが変位し、分極しやすくなるような構造にして、強誘電体に好都合な環境を整えた。

この超格子に対して特性評価を行ったところ、AやBだけを並べた多層膜では強誘電性を示さないのに対して、AとBを交互に並べた人工超格子では、実際に強誘電体になることを発見した。この人工超格子は、室温で安定な強誘電ヒステリシスを示し、世界最小レベルの膜厚10nmながら極めて強固な強誘電性を示すことが分かった(図4)。

<波及効果と今後の展開>

今回の成果は、ナノ物質の組み合わせで強誘電体が実現することを証明した初めての例であり、強誘電体ナノ材料の開発に向けて新たな設計指針を与えると同時に、強誘電体ナノ薄膜が持つ極薄、低電圧動作という特徴を利用した低消費電力メモリやICカードへの応用展開が期待される。

また、今回開発した強誘電体は、鉛などの毒性元素を含まない、環境に優しい材料である。さらに、今回用いた水溶液プロセスと人工超格子技術を組み合わせた新プロセスは、従来の薄膜プロセスの主流である大型の真空装置や高価な成膜装置を必要としない低コスト、低環境負荷プロセスを実現している。以上の点、本技術は、エネルギー節約や地球環境保護に貢献する次世代のエコ材料、グリーンプロセスとしても重要な役割を果たすことが期待される。

<参考図>

図1

図1 人工超格子技術のイメージ図

  • (上)レゴブロックを使った子供の人工超格子技術。
  • (下)酸化物ナノシートを使った大人の人工超格子技術。
図2

図2 強誘電体作製に用いたペロブスカイトナノシートの構造の模式図

  • (左)3層型層状ペロブスカイトCaNb10(以下、A)。
  • (右)2層型層状ペロブスカイトLaNb(以下、B)。
図3

図3 酸化物電極(SrRuO)上に作製した人工超格子の透過型電子顕微鏡像

2種類のペロブスカイトナノシートA、Bが交互に積層した高品位の人工超格子を形成している。また、赤外吸収を用いた分析の結果、この超格子では、AとBがアンモニウムイオンを介して静電的に結合し、界面付近のイオンが動きやすい、柔らかい界面が実現していることを確認した。

図4

図4 AとBを交互に5層ずつ積層した人工超格子(左)、Aの10層積層膜(中)、Bの10層積層膜(右)の強誘電ヒステリス測定の結果(A=CaNb10、B=LaNb

<用語解説>

注1) 酸化物ナノシート
層状酸化物をソフト化学的な処理により結晶構造の基本最小単位である層1枚にまで剥離することにより得られる、本研究グループ・オリジナルのナノ物質。
注2) 電気分極
物質内の一方の表面にプラス電荷が、もう一方の表面にマイナス電荷が生じ、電荷に偏りがある状態。
注3) 強誘電体メモリ(FeRAM:Ferroelectric Random Access Memory)
強誘電体の特徴である、外部より与える電圧の向きに応じて電気分極が反転し、しかも電圧がゼロとなっても分極が保たれる性質を利用し、プラスとマイナスの自発分極を1と0に対応させた、不揮発性半導体メモリ。ICカードやメインメモリへの応用が期待されている。
注4) 人工超格子
江崎 玲於奈 博士によって発明された物質で、複数の種類の結晶格子の重ね合わせにより、その周期構造が基本単位格子より長くなった結晶格子。近年の薄膜作製技術の進歩により、原子層オーダーでの制御が可能となっており、金属、半導体、酸化物など様々な物質の新材料、新機能の創製に利用されている。
注5) ジルコン酸チタン酸鉛 Pb(Zr,Ti)O(PZT)
化学式Pb(Zr,Ti)O(PZT)で表わされるペロブスカイト構造を持つ強誘電体。東京工業大学の高木 豊、白根 元、沢口 悦郎らにより1952年に発見された。巨大な誘電率および圧電性、強誘電性を持ち、特に、その大きな圧電性からアクチュエータやセンサなどの圧電素子に多く利用されている。また、強誘電体メモリ(FeRAM)への応用研究も活発に行われている。鉛を含有する特定有害物質であるが、現在のところ圧電材料としてPZTを代替できるほどの特性を持った材料が他にないため、RoHS指令の適用免除対象となっている。

<お問い合わせ先>

<研究内容に関すること>

長田 実(オサダ ミノル)
独立行政法人 物質・材料研究機構 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点 ソフト化学グループ MANA研究者
Tel:029-860-4352
E-mail:

<JSTの事業に関すること>

長田 直樹(ナガタ ナオキ)
独立行政法人 科学技術振興機構 イノベーション推進本部 研究領域総合運営部
〒102-0075 東京都千代田区三番町5 三番町ビル
Tel:03-3512-3524 Fax:03-3222-2064
E-mail:

<報道に関すること>

独立行政法人 物質・材料研究機構 広報室
〒305-0047 茨城県つくば市千現1−2−1
Tel:029-859-2026  Fax:029-859-2017

独立行政法人 科学技術振興機構 広報ポータル部
〒102-8666 東京都千代田区四番町5番地3
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