熊本大学の細川伸也教授らの研究グループは、従来手法と新技術を組み合わせ、通常の回折実験や電子顕微鏡では得られなかった不純物元素の原子位置を世界で初めて決定した。

多くの材料では微量な異種元素の添加により、その性能が発揮されることが多く、添加元素が原子の構造に与える影響の理解が性能向上に重要だ。

今回の研究ではマンガン(Mn)を不純物として含むテルル化ビスマス(Bi2Te3)の、Mnの添加されるサイト(位置)の決定を行った。この物質は省エネルギーで高速な新しいコンピュータ材料として注目される「トポロジカル絶縁体」の一つで、内部は絶縁体で電気を通さないが表面は電気抵抗がほとんどゼロの物質だ。

今回、不純物のまわりの原子配列を正確に得るために、従来手法である「X線吸収微細構造分光(XAFS)」に、新技術の「蛍光X線ホログラフィー(XFH)法」を組み合わせた。さらに、これまでの数学的手法(フーリエ変換)ではなく、「スパース・モデリング」という新解析手法を採用することで、テルル化ビスマス内の不純物Mnに関する原子像を極めて明瞭に再現できた。

この技術を応用することにより、添加元素によって性能を制御する半導体材料、磁性材料などの機能を解明できるとともに、新規材料開発に新たな指針を与えるものとして期待される。

また、今回の成果は広島市立大学、名古屋工業大学、広島工業大学、富山大学、山形大学や複数の研究機関との共同研究によるもの。研究テーマの発案から試料作製、実験、データ解析にいたるまで中小規模の大学の研究者が持ち味を出し合って協力し、汎用的な放射光X線光源を利用した結果得られたもので、大学の社会貢献の点でも意義があるとされる。

論文情報:【Physical Review B】Impurity position and lattice distortion in a Mn-doped Bi2Te3 topological insulator investigated by x-ray fluorescence holography and x-ray absorption fine structure

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大学ジャーナルオンライン編集部

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