遷移金属の酸化物が，その伝導性や磁性などに特異な性質を発現することから，近年注目を集めている．この物質は，ナノサイズのトンネルを持った結晶構造をしており，リチウムやセシ“酸化ガリウム（Ga2O3）トランジスタ”を世界で初めて実現（独）情報通信研究機構は，（株）タムラ製作所，（株）光波と共同で，世界に先駆けて新ワイウムといったイオンがトンネルを自由に出入りできるため，電池の電極材料やイオンの吸着材料として利用が検討されている．
東京大学物性研究所の上田寛教授らは，2009 年に，ホランダイト型構造を持つクロムドギャップ半導体材料である酸化ガリウムの酸化物 K2Cr8O16 が， 絶対温度 180K で常磁（Ga2O3）を用いたトランジスタの作製，動作実性金属から強磁性金属に転移し， さらに 95K証に成功した．

で強磁性を保ったまま絶縁体に転移することを現在，世界的な課題として，化石燃料に替わる新エネルギーの創出と並行して，革新的な省発見した． これは初めて観測された強磁性金属−強磁性絶縁体転移である．

電力技術の開発が求められている．このようなこの物資は，2 重交換と呼ばれる機構でクロフラーレンナノウィスカーの光学顕微鏡写真

社会事情から，現状のシリコン（Si）よりもさムの価電子のスピンがフルに分極した完全強磁ス力により細長く繊維状につながったものであらに高耐圧・低損失なパワーデバイスの実現が性状態になっており，そのエネルギーバンド構る．密度は絹と同程度であり，大変軽くしなや期待できる SiC，GaN といったワイドギャップ造は， スピントロニクス材料として使われるかな材料である（図参照）． フラーレンナノ

半導体材料が注目され，日本はもとより米国，ハーフメタルの状態にある．すなわち，フェルウィスカーの合成方法は大変簡便で， まず，欧州といった諸外国においても活発に研究開発

ミ面上には片側向きのスピンを持つ電子だけがC60 の良溶媒飽和溶液を用意し，そこへ貧溶媒が進められている．Ga2O3 は，SiC，GaN と比存在し，流れる電流はスピン分極している．こを重層することにより過飽和状態が形成され，較してさらに大きなそのバンドギャップに代表の物質を 95K 以下の温度にすると，エネルギー界面にフラーレンナノウィスカーが合成されされる物性から，パワーデバイスに応用した場バンドにギャップが開き，強磁性を保ったままる．これは LLIP 法と呼ばれ，大量合成が可能合，より一層の高耐圧・低損失化等の優れたデで，電流が流れない絶縁体になる．

な手法である．

バイス特性が期待できる．また，簡便な融液成

強磁性金属から強磁性絶縁体への転移はこれ

さて，カリウムドープによる C60 結晶の超伝長法により単結晶基板が作製可能であるというまで例がなく，その起源は謎であった．これは，導は，1991 年にベル研究所の研究者らにより主に産業面で有益な特徴もある．しかし，これ高エネルギー加速器研究機構（KEK）の中尾発見され， その後の研究により，RbCs2C60 がらの高い材料的ポテンシャルにもかかわらず，裕則准教授グループによる放射光を用いた精密常圧で最も高い超伝導転移温度を示すことが知

これまで研究開発はほとんど手付かずの状態でな結晶構造測定と，それに基づく千葉大学理学られている．しかし，結晶全体を超伝導化するあった．

研究科の太田幸則教授グループの理論計算にことが難しく，応用に向け課題となっていた．

今回，新たに開発した「Ga2O3 単結晶基板作よって，電子のスピン自由度が役割を果たさな今回のフラーレンナノウィスカーの超伝導化製，薄膜結晶成長，デバイスプロセス技術」をいパイエルス転移という未知の現象であることは次のような手順で行われた．まず，原料のフラーレンナノウィスカーをカリウムとともに石駆 使 し て， 電 界 効 果 ト ラ ン ジ ス タ の 一 種が明らかにされた．通常のパイエルス転移では，（MESFET）を作製し，その動作実証に世界で格子のゆがみによって原子がペアを作ると，電英管につめ，200 度で 24 時間アニールを施した．

初めて成功した．デバイス特性は，研究開発初子の新たな軌道が形成され，2 つの電子がスピアニール処理前後で結晶の形状はほとんど変化

期段階のため非常にシンプルなトランジスタ構

ンの向きを反対にしてその軌道を占めるため，しなかった．磁化率の温度依存性により，超伝造であるにもかかわらず，（1）高いオフ状態耐磁性を持たない状態となる．ところがこの物質導転移温度は約 17K であり，これは，C60 結晶圧（250V 以上），（2）非常に小さいリーク電流の場合は，スピンの向きが揃った状態のまま，より 2K ほど低いことがわかった．一方，ゼロ（数 µ A/mm 程度），（3）高い電流オン／オフ比

4 つのクロム原子がひとつの電子を共有して弱磁場冷却時の磁化より見積もった，フラーレン（約 10,000）など優れた特性が得られた．

く閉じ込め，系を絶縁化する．

ナノウィスカーの超伝導体積率は約 100％であ

今回， 新ワイドギャップ半導体材料である

こういった電子の新しい機能性の探索とそのり，同条件で合成した C60 結晶の約 200 倍に相Ga2O3 を用いたトランジスタの開発に成功した起源の解明は，基礎物性科学の興味だけでなく，当し，試料全体が超伝導になっていることが確ことによって，次世代高性能パワーデバイス実将来的な応用の可能性を秘めたものであると期認された．さらに，磁化曲線より Bean モデル現への可能性が開けた．今後，その優れた物性待したい．

によって見積もられた臨界電流密度は，1-5Tを生かした Ga2O3 デバイスに関する研究開発が（千葉大学大学院理学研究科世界的に広がると予想される．高性能 Ga2O3 パ

連 絡 先： 〒 263-8522

ワーデバイスは，グローバルな課題である省エ

1-33，E-mail：ohta@faculty.chiba-u.jp）

ネ問題に対して直接貢献するとともに，日本発の新たな半導体産業の創出という経済面での貢教授

太田幸則

千葉市稲毛区弥生町［2012 年 3 月 20 日原稿受付］の磁場中で 105A/cm2 と大変高く， 同条件で作った C60 結晶に比べ約 2 桁高いことが明らかになった．
フラーレンナノウィスカーの特徴の一つに，液中で合成された後乾燥させる過程で，結晶に本研究の一部は，（独）新エネルギー・産業技

フラーレンナノウィスカー繊維を超伝導体に術総合開発機構（NEDO） から受託した平成

繊維状の超伝導体があれば，それを束ねて糸ないイメージがあるが，今回はこの欠陥が幸い

23 年度「省エネルギー革新技術開発事業／挑を作り，それを織って布を作りと，さまざまなした．超伝導体積率が高い試料が得られたこと戦研究（事前研究一体型）」として実施した．

形態の超伝導体が期待され夢が広がる．物質・は，恐らく，この欠陥に沿ってカリウムの拡散（（独）情報通信研究機構

東脇正

材料研究機構のナノフロンティア材料グループが促進したためと考えられる．さらに，磁場中東京都小金井市貫の竹屋浩幸主席研究員，高野義彦グループリーでの臨界電流密度が高いことは，この欠陥がピ

井北町 4-2-1，E-mail：mhigashi@nict.go.jp）

ダー， フラーレン工学グループの宮澤薫一グニングセンターとして働いたためと思われる．

URL：http://www.nict.go.jp/press/05-1.html

ループリーダーらは，軽くてしなやか繊維状の今後，より長いフラーレンナノウィスカーを用材料であるフラーレンナノウィスカーに着目いた実験や超伝導転移温度の向上が期待される．

し，その超伝導化に成功した．

将来，繊維状超伝導材料を束ねて超伝導線材が献も併せて期待される．

高連絡先：〒 184-8795

主任研究員［2012 年 2 月 28 日原稿受付］

強磁性のまま絶縁体の酸化物
ホランダイト型と呼ばれる結晶構造を持ったセラミックス

47（2012）No. 5

フラーレンナノウィスカーは，サッカーボー
ル状の結晶構造を持つ C60 がファンデルワール小さな隙間や欠陥が生じることがある．一般に結晶中にある欠陥は不完全性を示すものでよく作られる日が来るかもしれない．
［2012 年 4 月 3 日原稿受付］

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