研究成果 2021/01/05
【概要】
奈良先端科学技術大学院大学（学長：横矢直和）先端科学技術研究科 物質創成科学領域のイルミキモフ・アイダールさん（博士後期課程2年）、パマシ・リリアニーさん（博士後期課程2年）、服部賢准教授、細糸信好准教授らの研究グループは、大阪大学 産業科学研究所の服部梓准教授、田中秀和教授、大坂藍特任助教(常勤)、中国 大連交通大学の郭方准教授らと共同研究を行い、最も重要な半導体材料であるシリコン（Si）基板上に、表面の凹凸の深さが0.1nm（nmは10億分の1メートル）と原子サイズの超高精度で乱れのない原子配列構造を持つピラミッド形の物質を作製する方法の開発に世界で初めて成功しました。また、そのピラミッド斜面上に作製した鉄ナノ薄膜は、特異な磁石の性質（強磁性特性）を示すことを見出しました。この現象はピラミッド立体構造という特殊な形が生み出す、電子の磁石の性質（磁気スピン）の状態変化に由来していることを付き止めました。
2次元の平坦な基板表面と異なり、次元性が増した3次元立体表面では、最表面の凹凸をnmオーダーで制御することは困難で、実現していませんでした。本研究では、経験則で発達してきたシリコンの立体加工作製方法を、結晶学と表面科学的なアプローチを駆使して高度化することで、従来の限界を超え、実現しうる最高の平坦性、すなわち、原子配列構造を持つ立体表面を達成しました。
試料形態を自在に操ることができれば、新たな物性を生み出すことができます。磁性ナノ薄膜をピラミッド形状にすると、その頂上に捕獲される磁化渦という磁気スピンが渦まいて配列する構造が創り出す特異な磁気特性について理論計算で予見されていましたが、今まで高品質な立体試料が作製できなかったため、実験的に確かめられていませんでした。
本研究で実証した理想表面を持つ立体構造を用いた0.1 nm精度の物づくりと、3次元形態制御による物性を変化させる技術の実現は、3次元立体空間での自在な形状制御がもたらす新機能特性という新しいプラットフォームでの物性開拓の推進を可能とし、ナノ材料科学分野の発展へと貢献していきます。また、あらゆる方向に広がる立体表面の原子制御技術は、立体化、集積化がますます進むIOTデバイス開発において必須であり、ナノ立体構造化デバイス工程の基幹技術の一つとなると期待されます。
本技術の詳細は、米国東部標準時の2021年1月6日（水）正午【プレス解禁日時：日本時間2021年1月7日(木)午前2時】付で米国の学術誌「ACS Crystal Growth & Design」に掲載されます。なお、本研究は一部、科研費（18H01871, 20H02483）、JST A-STEP（JPMJTM19CM）、物質・デバイス領域共同研究拠点（20180410, 20194015, 20203017）等の支援を得て行われました。
