発表のポイント

・二酸化バナジウム（VO₂）のナノ構造において、量子サイズ効果により新しい電子相が生じることを発見しました。
・高輝度放射光を用いた軟X線分光により、その起源を明らかにしました。
・この成果は、モットトランジスタの開発に新しい展開をもたらすと期待されます。

概要

　二酸化バナジウム（VO₂）は室温付近で巨大な金属・絶縁体転移を示すことから、次世代デバイス材料として盛んに研究されている機能性酸化物の一つです。しかし、VO₂の示す金属・絶縁体転移においては、デバイス設計に必須となるナノ領域における振る舞いはよく分かっていませんでした。東北大学多元物質科学研究所の志賀大亮大学院生、吉松公平講師、組頭広志教授らの研究グループは、高エネルギー加速器研究機構 物質構造科学研究所の北村未歩助教、堀場弘司准教授等と共同で、VO₂をナノレベルまで薄くすると従来とは異なる新しい電子相が現れることを明らかにしました。
　今後、この知見に基づいて最適なデバイス構造を設計することが可能になり、BeyondCMOSの有力候補であるモットトランジスタの実現が期待されます。
　本研究成果は、米国物理学会誌 Physical Review B の注目論文（Editors’ Suggestion）に選ばれ、2020年9月9日にオンライン掲載されました。
プレスリリース本文（PDF）

【参考図】

(a) VO₂ナノ構造の電子相図。1 nm以下の極薄膜領域で二量化を伴わない新しい電子相が生じる。
(b) VO₂ナノ構造に現れる新しい電子相の発現機構。

論文情報：
“Thickness dependence of electronic structures in VO₂ ultrathin films: Suppression of the cooperative Mott-Peierls transition”
D. Shiga, B. E. Yang, N. Hasegawa, T. Kanda, R. Tokunaga, K. Yoshimatsu, R. Yukawa, M. Kitamura, K. Horiba, and H. Kumigashira
Physical Review B 102, 115114 (2020). (Editors’ Suggestion)
DOI: 10.1103/PhysRevB.102.115114
2020年9月9日 オンライン掲載

関連リンク：
ナノ機能物性化学研究分野（組頭広志研究室）
東北大学
高エネルギー加速器研究機構（KEK）