3次元物質から2次元強誘電体の作製に成功、強誘電デバイスの開発に貢献：研究開発の最前線

京都大学は、3次元物質の二酸化ハフニウムジルコニウムから、厚さ1nmの2次元強誘電体を作製することに成功した。数nmまで極薄化した3次元強誘電体からは困難とされていた、2次元物質を作製できた。

[MONOist]

　京都大学は2024年6月26日、3次元物質の二酸化ハフニウムジルコニウム（Hf_0.5Zr_0.5O₂、HZO）から、厚さ1nmの2次元強誘電体を作製することに成功したと発表した。ファインセラミックスセンター、名古屋大学との共同研究による成果で、数nmまで極薄化した3次元強誘電体からは困難とされていた、2次元物質を作製できた。

研究概要図［クリックで拡大］ 出所：京都大学

　研究グループはこれまでの研究で、ペロブスカイト型マンガン酸化物La_0.7Sr_0.3MnO₃（LSMO）上に、HZOがエピタキシャル成長することを発見している。今回の研究では、LSMOが希塩酸水溶液に溶解するのに対し、HZOはほぼ溶解しないことに着目した。

　チタン酸ストロンチウム（SrTiO₃）基板上にHZOとLSMOの積層構造をつくり、基板ごと希塩酸水溶液に投入し、HZOと基板の間にあるLSMO層だけを溶解して選択的に削除した。その後、HZO層を基板から取り外してHZOメンブレン結晶を得た。

　結晶格子2個分に当たる1nm厚のメンブレン結晶を分析したところ、強誘電相である菱面体晶の結晶構造が保持されていた。また、室温で面直方向に13μC/cm²の自発分極を持つことも確認。これらの成果から、3次元物質のHZOから2次元強誘電体を作製できることが分かった。

上：2次元強誘電体の作製プロセス。下：1nm厚のHZOメンブレン結晶のtop-view HAADF-STEM像と、HZOメンブレン結晶の自発分極量［クリックで拡大］ 出所：京都大学

　今回開発した2次元強誘電体は、磁性体や超伝導体などの機能性物質上に転写が可能だ。強誘電体と機能性材料を融合させた、新しい強誘電デバイス開発につながる。また、メンブレン結晶作製技術はHZO以外の3次元物質にも適用でき、同技術による2次元材料の開発が期待される。

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