3次元トポロジカル絶縁体薄膜を簡便に作製：省エネ素子への応用研究に弾み

東北大学は、3次元トポロジカル絶縁体薄膜を簡便に作製、転写する方法を確立した。次世代のメモリデバイスなどへの応用に弾みをつける。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

低真空で薄膜形成、シリコンなどへの転写も容易に

　東北大学大学院理学研究科の田邉洋一助教とダウノックハン博士（当時東北大学大学院理学研究科物理学専攻博士課程3年）および、同大学原子分子材料科学高等研究機構（WPI-AIMR）の谷垣勝己教授らは2017年3月、3次元トポロジカル絶縁体薄膜を簡便に作製、転写する方法を確立したと発表した。

　3次元トポロジカル絶縁体は、物質内部が絶縁体で電流は流れない。ところが表面には金属状態が存在するため電流が流れるという特殊な絶縁体物質である。この表面状態は質量がゼロのディラック状態であることから、3次元トポロジカル絶縁体を省エネ素子に応用する研究が世界中で行われているという。

　しかし、高品質の薄膜を作製するには、10^-8Paといった超高真空の環境が必要となる。このため、高価な製造設備や特殊なプロセスを用意しなければならず、実用化に向けて大きな課題となっていた。

　研究グループは今回、3次元トポロジカル絶縁体「Bi_2-xSb_xTe_3-ySe_y」の大型薄膜を、物理気相蒸着法により作製する技術を開発した。この技術を用いれば、10^-1Paという低真空度の環境で高品質の薄膜を作製できるという。製造装置も市販の管状型電気炉にロータリーポンプを組み合わせた簡単な構成で済む。

薄膜合成に用いた管状型電気炉の外観（左）と合成の概要 （クリックで拡大） 出典：東北大学

　具体的には、原料をガラス管に入れて、ガラス管の出口に薄膜作製用のマイカ基板を設置した。その後、10^-1Pa程度の真空状態にし、電気炉を用いて原料側を高温に保つよう温度の勾配を作り出した。こうした製造プロセスで、Bi_2-xSb_xTe_3-ySe_y薄膜をマイカ基板上に効率よく作製することができた。

　作製した薄膜の表面を原子間力顕微鏡で観察したところ、分子線エピタキシー法で作製した薄膜と同様な結晶構造であることを確認することができた。これにより、今回のように比較的簡便な手法を用いても、高い品質の薄膜を作製できることが分かった。作製したBi_2-xSb_xTe_3-ySe_y薄膜は、水に浸すことでマイカ基板から容易に剥離することができ、シリコンなどさまざまな基板上に転写することが可能だという。

上段は左側から、「マイカ基板上に作成したBi_2-xSb_xTe_3-ySe_y薄膜」「原子間力顕微鏡で観測した薄膜の拡大像」「マイカ基板上に作製した薄膜を水に浸して剥離、転写する様子」「Bi_2-xSb_xTe_3-ySe_y薄膜で観測した磁場中の電気抵抗率の振動を示すグラフ」。下部は「酸化シリコン基板上に転写した、膜厚の異なるBi_2-xSb_xTe_3-ySe_y薄膜」 （クリックで拡大） 出典：東北大学

　転写した後の薄膜試料は、磁場中における電気抵抗率の振る舞いから、ディラック電子にみられる位相のずれた振動を観測することができた。これを解析したところ、電子の移動度は2500〜5100cm²（Vs）^-1となり、Bi_2-xSb_xTe_3-ySe_yの単結晶とほぼ同等性能であることが分かった。

　さらに、膜厚を薄くしていけば表面の質量ゼロのディラック状態にエネルギーギャップが開く。これによって、従来の半導体と同様、散乱の少ない電流とスピン流について、流れる状態（オン）と流れない状態（オフ）を制御することが可能となる。しかも、このオンオフ比は、−10⁴と極めて高い値を示すことが明らかとなった。同様な手法によってエネルギーギャップを開けた3次元トポロジカル絶縁体の中では最大の値だという。

　研究グループは今後、実用的な素子を試作し、散乱の少ない電流、スピン流を利用したメモリデバイスへの展開など、さまざまな省エネ素子への応用に取り組む予定である。