材料の電気の流れやすさは、電子や正孔など電気を流す伝導キャリア注３）が材料にどれだけ含まれているかによって決まります。材料中の伝導キャリアの濃度を化学的な手法でゼロから次第に増やして行くと、絶縁体から電気をよく流す金属状態へ、さらには極低温では超伝導状態へと変化していく材料がいくつか知られています。１９８６年に発見された銅酸化物系での高温超伝導物質以来、新超伝導体の探索には同様な化学的な手法が主に用いられてきました。
一方、半導体集積回路の基本素子である電界効果トランジスタでは、電気的な手法によって半導体の電気の流れやすさを制御しています。本研究では電気二重層注４)トランジスタという新しい電界効果トランジスタを用いることで、従来は化学的な手法でなければ不可能だった高濃度の伝導キャリア制御を実現しました。
本研究では絶縁性のチタン酸ストロンチウム注５)単結晶に電界効果のみを用いて多量の伝導キャリアを誘起し、極低温で電気抵抗がゼロとなる超伝導を示す状態へ制御することに初めて成功しました。本成果は、電界効果という手法が電気の流れやすさを制御するのみならず超伝導状態を実現するためにも使うことができることを示したものであり、将来はこの手法を用いて高い温度で超伝導を示す新材料を発見できると期待されます。
本研究成果は、英国学術誌「Nature Materials」のオンライン版で２００８年１０月１２日に公開されます。
戦略的創造研究推進事業 チーム型研究（ＣＲＥＳＴ）
| 研究領域 | ： | 「ナノ界面技術の基盤構築」（研究総括：新海 征治 崇城大学 教授） |
| 研究課題名 | ： | 酸化物・有機分子の界面科学とデバイス学理の構築 |
| 研究代表者 | ： | 川崎 雅司（東北大学 原子分子材料科学高等研究機構 教授） |
| 研究期間 | ： | 平成１８～２３年度 |
＜研究の背景と経緯＞
最近、鉄とヒ素を組み合わせた材料で高い温度で超伝導注１)を示すことが次々に報告され、注目されています。この鉄ヒ素系超伝導体や銅酸化物系超伝導体などの高い温度で超伝導を示す材料は、絶縁性の母物質に不純物を混ぜ合わせることで多量の伝導キャリアを導入したものです。しかし、不純物によって多量の伝導キャリアを導入できる材料は限られており、新規超伝導体開発のために化学的な手法以外で多量の伝導キャリアを制御する手法が望まれてきました。
半導体集積回路の基本素子である電界効果トランジスタ注２）では、半導体に絶縁体を挟んで金属電極（ゲート電極）を形成し、半導体とゲート電極の間に電圧をかけると半導体表面に伝導キャリア注３）が集まるため、半導体の伝導性を電気的に制御できます。この電界効果による伝導キャリア導入の手法を不純物添加の代わりに使うことで超伝導を発現させようという試みは、半導体デバイス
本研究では、電気二重層注４）トランジスタという新しいデバイス構造を用いることで、絶縁破壊してしまう従来の絶縁膜の問題を解消し、完全な絶縁体から超伝導への制御を実現しました。
＜研究の内容＞
チタン酸ストロンチウム注５）は、透明で電気を全く流さない人工宝石としても使われる材料です。また良質な結晶を合成しやすいことから、酸化物エレクトロニクスの分野では半導体エレクトロニクスでのシリコンと同じように、電子デバイスを作製するための基板として広く使われています。
本研究で川崎雅司教授らが作製した素子（図１）は、従来の電界効果トランジスタの絶縁層の代わりにポリエチレンオキシドというプラスチックに過塩素酸カリウムを溶かした電解質をチタン酸ストロンチウム単結晶に接触させ、界面に電気二重層注４)を自己生成させた構造を持っています。この素子のゲート電極に正の電圧を加えると、プラスの電荷をもった陽イオン（カリウムイオン）が結晶の表面に集まりぎっしり配列します。このプラス電荷によって結晶内部にマイナスの電荷を持った伝導キャリア（電子）が誘起され、従来の電界効果トランジスタの限界を１０倍以上も上回る多量の伝導キャリアの導入が可能になりました。なお、同様の原理を用いた電気二重層キャパシタは、従来のコンデンサーの千倍以上の大容量をもつことからスーパーキャパシタとして商品化され、電子回路のメモリーバックアップ用やハイブリッドカーのエネルギー貯蔵部として広く使われています。
ゲート電極にかけた電圧を大きくしていくと、もともと全く電気の流れないチタン酸ストロンチウム基板が電気の良く流れる状態に変わるトランジスタ動作が確認されました。2.5V以上のゲート電圧で温度を下げていくと、温度の低下とともに電気抵抗が小さくなっていく金属的な伝導が実現しました（図２）。同大学金属材料研究所の野島勉准教授ら極低温グループとの共同実験により、さらに温度を下げていくと -272.85℃ (0.4K) で急激に抵抗が減少し、ゼロ抵抗となる超伝導が観察されました（図３）。これらの測定後、ゲート電極にかけた電圧を0Vに戻すと元通り完全な絶縁体に戻りました。このように全く伝導性のない絶縁体の状態からゲート電圧を変化させるという電気的な手段だけで、抵抗の全くない超伝導へのスイッチングが実現しました。
＜今後の展開＞
本研究ではチタン酸ストロンチウム単結晶という性質がよく知られ、入手しやすい材料で研究を行いましたが、この新しい超伝導制御の手法は材料を問わず適用可能です。従来は不純物による伝導性制御が難しかった多くの材料へ研究を広げることで、高い超伝導転移温度を持つ新材料を実現できると期待されます。
＜参考図＞
図１ 電圧により電気の流れやすさを制御するための電気二重層トランジスタの素子構造の模式図
図２ チタン酸ストロンチウム単結晶のゲート電圧による金属化
図３ ゲート電圧によって引き起こされた超伝導
＜用語解説＞
注１）超伝導
超伝導状態とはある温度以下で電気抵抗がゼロになり、電気が永遠に流れ続ける状態です。超伝導を起こすためには電子（伝導キャリア）同士の強い相互作用が必要なため、高濃度の伝導キャリアが必要です。たとえばシリコンやダイヤモンドなどの半導体を超伝導にするためには、高圧、高温など特殊な条件で多量の不純物を材料に溶け込ませる必要があります。
注２）電界効果、電界効果トランジスタ
電界効果とは電場（電界）によって材料表面に電荷が集まる効果です。絶縁体を二つの電極ではさんで電圧をかけると、正の電圧がかかった電極にはプラスの電荷が、負の電圧がかかった電極にはマイナスの電荷が蓄積します。この電極の片方を半導体で置き換えると、蓄積した電荷は半導体の中を自由に動き回る伝導キャリアとして振る舞います。このようにして伝導キャリアを集める手法を電界効果と呼び、電圧によって半導体の伝導性を制御するトランジスタとして広く使われています。
注３）伝導キャリア
伝導キャリアには正の符号を持つ正孔(ホール)と負の符号を持つ電子があります。原子に束縛されず、結晶の中を自由に動き回ることができるために電気を流すことができます。
注４）電気二重層
電気二重層とは電気化学の用語で、電解質と電極の界面に出来るイオンの集まった部分のことです。液体の中にイオンが溶け込んだ電解質を二つの電極ではさんで電圧をかけると、電解液の中の陽イオンは負の電圧のかかった電極のほうへ移動します。電極表面まで動いてきた陽イオンはそれ以上動けないので、電極の直上にぎっしりと詰まった状態になります。一方、電極の中では陽イオンの量に対応した数のマイナスの電荷が集まり、全体として電荷中性の状態を保ちます。この陽イオンの層を電気二重層と呼び、非常に大きな電荷を蓄積できることからコンデンサー（電気二重層キャパシタ、スーパーキャパシタ）として使われています。
注５）チタン酸ストロンチウム
チタン酸ストロンチウムは、チップコンデンサーの材料としてパソコンや携帯機器で広く使われている絶縁性材料です。単結晶は屈折率が高く透明度が高いため、人工宝石としても使われます。また、ニオブなどの不純物を入れると黒い単結晶となり、極低温で超伝導を示すようになります。
＜論文名および著者名＞
"Electric-Field-Induced Superconductivity in an Insulator"
（絶縁体に電界によって誘起された超伝導）
K. Ueno, S. Nakamura, H. Shimotani, A. Ohtomo, N. Kimura, T. Nojima, H. Aoki, Y. Iwasa, M. Kawasaki
doi: 10.1038/nmat2298
＜お問い合わせ先＞
＜研究に関すること＞
川崎 雅司（カワサキ マサシ）、上野 和紀（ウエノ カズノリ）
東北大学 原子分子材料科学高等研究機構
〒980-8577 宮城県仙台市青葉区片平２-１-１
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