【公開日：2025.06.10】【最終更新日：2025.05.02】

課題データ / Project Data

課題番号 / Project Issue Number

24OS1020

利用課題名 / Title

水素化強相関ニッケル酸化物を用いた抵抗変化デバイスの開発

利用した実施機関 / Support Institute

大阪大学 / Osaka Univ.

機関外・機関内の利用 / External or Internal Use

内部利用（ARIM事業参画者以外）/Internal Use (by non ARIM members)

技術領域 / Technology Area

【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）物質・材料合成プロセス/Molecule & Material Synthesis（副 / Sub）-

【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）マルチマテリアル化技術・次世代高分子マテリアル/Multi-material technologies / Next-generation high-molecular materials（副 / Sub）-

キーワード / Keywords

薄膜, X線回折, MBE（分子線エピタキシー）

利用者と利用形態 / User and Support Type

利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)

李 好博

所属名 / Affiliation

大阪大学　産業科学研究所　ナノ機能材料デバイス研究分野

共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes

ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes

利用形態 / Support Type

（主 / Main）機器利用/Equipment Utilization（副 / Sub）,技術相談/Technical Consultation

利用した主な設備 / Equipment Used in This Project

OS-120：薄膜X線回折装置
OS-127：レーザーラマン顕微鏡
OS-126：接触式膜厚測定器
OS-119：自動制御型パルスレーザ蒸着ナノマテリアル合成装置

報告書データ / Report

概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)

強相関電子系酸化物の中には、スピンや電荷や軌道などの複数の自由度が互いに強く競合して、高温超伝導や超巨大磁気抵抗などの様々な量子効果が誘起され、基礎研究と応用研究の両面で注目される機能性材料が多数知られている。近年は色々な手法による水素の挿入・脱出が、遷移金属酸化物の構造と物性の制御において新しい効果的なアプローチとなり、特に水素化ニッケル酸化物を用いた、数桁ON/OFF比（10¹ - 10⁸）の電気抵抗制御が可能な水素トランジスタが実現され、新規な機構で動作する半導体/Beyond CMOSデバイスとして期待されている。しかし、材料応用と物理学の観点から見ると、水素化ニッケル酸化物を用いたデバイスでは、操作速度が緩い、電気伝導以外の物性研究がまだ少ない状態である。

実験 / Experimental

市販のLSAT (001)単結晶基板で、パルスレーザー堆積法を用いて膜厚が80 nm以上のReNiO₃ (Re = La, Nd, Sm, Eu)単結晶薄膜を合成し、イオン液体ゲーティングの手法で薄膜の水素ドーピングを行った。X線回折で水素ドーピング前後の結晶構造を評価し、水素ドーピングによる構造変化と物性変調の回復性も検証した。水素ドーピング前後、すべてのサンプルの電気抵抗が4桁変化することを発見し、特にLaNiO₃およびNdNiO₃において、金属―絶縁体転移が発生することを確認した。

結果と考察 / Results and Discussion

本研究では、2023の研究成果（参考文献１,２）に基づいてペロブスカイト型希土類ReNiO₃ (Re = Nd, Sm, Eu)エピタキシャル薄膜を作成し、電気化学インピーダンス分光(EIS)法と光学顕微鏡による直視法を総合的に併せて、イオン伝導度を評価した。その上で、初めて水素化EuNiO₃を用いたStack形の原型メモリデバイスを設計・開発した。H_xEuNiO₃の速い水素拡散を利用することで、報告された酸素タイプのデバイスより抵抗変調速度は3桁ほど向上した。今後、水素化強相関酸化物は半導体産業に向けた実用化を目指して、シリコン基板上への酸化物合成も展開する予定である。

図・表・数式 / Figures, Tables and Equations

その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)

参考文献
[1] DOI: 10.1063/5.0152640
[2] Keito Umesaki, Haobo Li, Azusa.N Hattori, Hidekazu Tanaka, "Proton diffusion governed resistance switching in low-cost planar HxSmNiO3 designed device"第71回応用物理学会春季学術講演会（東京）、2024年3月24日

成果発表・成果利用 / Publication and Patents

論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)

1. Hao-Bo Li, Wide-range thermal conductivity modulation based on protonated nickelate perovskite oxides, Applied Physics Letters, 124, (2024).
   DOI: 10.1063/5.0201268
   
2. Hao-Bo Li, Epitaxial Growth of Triple-Layered Brownmillerite Cobalt Oxide Sr₄Co₃O₉, Inorganic Chemistry, 64, 6589-6596(2025).
   DOI: 10.1021/acs.inorgchem.4c05507
   

口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.

1. Haobo Li, Shunsuke Kobayashi, Chengchao Zhong, Kousuke Ooe, Weitao Yan, Wei-Hua Wang, Hattori Azusa, Hiroshi Takatsu, Hiroshi Kageyama, Hidekazu Tanaka, "Synthesis of ilmenite NaCo1/3Sb2/3O3 thin film with cobalt honeycomb lattice"第85回応用物理学会秋季学術講演会（新潟）,2024年9月16日

特許 / Patents

特許出願件数 / Number of Patent Applications：0件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件