擬一次元ファンデルワールス物質の大面積な薄膜を製造する新しい手法を開発：研究開発の最前線

東北大学と慶應義塾大学は、ジルコニウムテルライドを用いて、大面積な薄膜を製造する新しい手法を開発した。「擬一次元ファンデルワールス物質」の1つで、半導体デバイスへの応用が注目される。

[MONOist]

　東北大学と慶應義塾大学は2024年6月20日、ジルコニウムテルライド（ZrTe₅）を用いて、大面積な薄膜を製造する新しい手法を開発したと発表した。ZrTe₅は一次元原子鎖が弱い分子間力でつながる「擬一次元ファンデルワールス物質（quasi1D−vdW）」の1つで、量子効果の増幅や高い熱電性能などの特性から半導体デバイスへの応用が注目されている。

　この手法は、遷移金属ダイカルコゲナイド（TMD）の大面積成膜で用いられる二段階プロセス技術を活用している。まず、物理蒸着法（PVD）プロセスであるスパッタリング法により、アモルファス薄膜を作成。これに熱処理を施し、結晶化させることで規則的に配列した二次元層状物質を成膜する。

（左）ZrTe5材料の結晶構造。（右）ガラス基板上に成膜されたZrTe5薄膜の成膜ままと熱処理後［クリックで拡大］ 出所：東北大学

　アモルファス相から結晶相への相変化に伴う電気抵抗率を調べたところ、4桁に及ぶ大幅な減少を確認。光学バンドギャップも0.91eVから約0.16eVへと縮小していた。ラマン分光および硬X線光電子分光法（HAXPES）から、これらの変化はアモルファスZrTe₅に存在するZr−ZrとTe−Teのホモポーラ結合が、Zr−Te結合に置き換えられることによるものと考えられる。

さまざまな温度でアニーリングされたZrTe5薄膜のラマン分光スペクトル 出所：東北大学

ZrTe5材料のバンド構造と局所的な原子配置の模式図 出所：東北大学

　半導体プロセスと互換性がない従来の手法とは異なり、PVDプロセスは半導体産業における一般的な手法で、量産可能な製造方法の開発が期待される。研究グループは今後、成膜プロセスの最適化と材料特性の評価を進め、次世代のトランジスタや光検出器、熱電デバイスの開発を目指す考えだ。

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