酸化物界面における「隠れた電荷移動経路」を特定、東北大ら：界面化学結合ネットワークが寄与

東北大学は、高エネルギー加速器研究機構（KEK）と共同で、酸化物ナノ界面における「隠れた電荷移動経路」を特定した。界面の化学結合ネットワークを取り入れた理論をデバイス設計に導入することで、酸化物ナノ構造の機能設計が可能となる。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

高輝度放射光を用いた共鳴光電子分光法で可視化

　東北大学の研究グループは2026年7月、高エネルギー加速器研究機構（KEK）と共同で、酸化物ナノ界面における「隠れた電荷移動経路」を特定したと発表した。界面の化学結合ネットワークを取り入れた理論をデバイス設計に導入することで、酸化物ナノ構造の機能設計が可能となる。

　酸化物のナノ構造（ヘテロ接合）は、次世代エレクトロニクスデバイスへの応用が期待されている。ところが、従来の半導体接合理論では説明ができない現象が報告されている。特に、特定の酸化物ヘテロ界面では、「電荷移動現象」によって材料が有する優れた機能が損なわれることがあるという。

　研究グループは今回、レーザー分子線エピタキシー技術を用い、厚みを原子レベルでデジタル制御したペロブスカイト酸化物の3層ナノ構造（SrNbO₃／SrZrO₃／SrTiO₃）を作製した。

酸化物界面における化学結合ネットワーク（p-d-p混成ネットワーク）の概念図［クリックで拡大］ 出所：東北大学

SrNbO₃／SrZrO₃／SrTiO₃におけるTi2p-3d共鳴光電子分光の結果［クリックで拡大］ 出所：東北大学

　そして、高輝度放射光を用いた共鳴光電子分光法によって、埋もれた界面における電荷移動の様子を、高い精度で可視化することに成功した。この結果、バリア層（SrZrO₃）の厚みによって電荷移動量が指数関数的に減少したものの、従来の半導体理論による予測に比べ、電荷の減衰長（λ）が5倍以上も上回っていることを確認した。

　この原因が、「界面の化学結合」にあることを突き止めた。従来の半導体接合理論では見過ごされていたという。研究グループは、「ミクロな化学結合ネットワーク（p-d-p混成ネットワーク）により、電子が広がっていく機構こそが、長距離の電荷移動を支えている本質である」ことを、実験により実証した。

共鳴光電子分光で得られた電荷移動量のバリア層厚さη依存性［クリックで拡大］ 出所：東北大学

　今回の研究成果は、東北大学大学院理学研究科の早坂亮太朗大学院生（当時）、同多元物質科学研究所の志賀大亮助教、組頭広志教授および、高エネルギー加速器研究機構（KEK）物質構造科学研究所の小澤健一教授らによるものである。