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酸化物界面における「隠れた電荷移動経路」を特定 －従来の半導体物理では考慮されていなかった界面における「化学結合ネットワーク」の重要性を実証－
発表のポイント
● 原子層精度で制御した酸化物ヘテロ界面において自発的に発生する電荷移動現象を高輝度放射光（注１）を用いた共鳴光電子分光法（注２）で可視化することに成功しました。
● 電荷移動の減衰長（染み出し長）（注３）が、従来の半導体接合理論（注４）の値に比べて数倍長いことを明らかにし、従来の半導体デバイス設計では考慮されていなかった「化学結合ネットワーク」の寄与を初めて実証しました。
● この成果は、機能性酸化物デバイスの新しい設計指針の確立につながると期待されます。
概要
酸化物のナノ構造（ヘテロ接合）は、次世代エレクトロニクスデバイスの有力候補として盛んに研究されています。しかし、従来のエレクトロニクスの基本理論である半導体接合理論では、説明のつかない現象が多々報告され、正確なデバイス設計の妨げとなっていました。
東北大学大学院理学研究科の早坂亮太朗大学院生（研究当時）、同 多元物質科学研究所の志賀大亮助教、組頭広志教授、および高エネルギー加速器研究機構（KEK）物質構造科学研究所の小澤健一教授らの研究グループは、高輝度放射光を用いた「共鳴光電子分光法」という手法により、界面の電荷移動を可視化することにより、バリア層内部を電子が伝播する微視的な化学結合ネットワーク（p-d-p混成ネットワーク）の存在を突き止め、酸化物界面における新たな物理機構を見出しました。
本成果により得られた知見に基づいて、界面化学結合ネットワークを取り入れた理論を構築する事で、最適な酸化物ナノ構造の機能が設計可能になり、次世代酸化物エレクトロニクスの実現が期待されます。
本研究成果は、米国物理学協会（AIP）の発行する学術誌APL Materialsに、2026年7月1日付でオンライン公開されました。
図1. 酸化物界面における化学結合ネットワーク（p-d-p混成ネットワーク）の概念図
（左図）従来の半導体理論では、電子がバリア層（ポテンシャル障壁：図中央）をトンネルする効果のみが考慮されていたが、界面における化学結合によりd-p-d混成ネットワークが形成されることで、電子が長距離まで伝播できるようになる。（右図）実際に高輝度放射光により可視化した電荷移動現象。
用語説明
注1. 放射光：光速近くまで加速された電子の軌道を磁場によって曲げると、接線方向に光が放出されます。この光は放射光と呼ばれ、高い輝度や偏光性などの優れた特性をもつ光源として、科学技術の広い分野で大いに活用されています。近年、東北大キャンパスのナノテラスを始め、高輝度放射光施設が世界各地で建設されており、先端材料や次世代デバイスなどの研究に活かされています。
注2. 共鳴光電子分光法：物質にX線などの光を照射したときに光電効果によって飛び出してくる電子（光電子）のエネルギーや量を測定することで、物質内部の電子の状態を調べる手法を光電子分光と言います。さらに、光エネルギーを自由に変えられる放射光の特長を活かして、遷移金属（チタンなど）が持つ固有の吸収エネルギーに照射光の波長を合わせると、特定の元素の電子状態を可視化できます。この方法を共鳴光電子分光と呼びます。
注3. 減衰長（染み出し長）：電子の存在確率や電荷の移動量が、界面からバリア層の奥深くへ進むにつれて、指数関数的に減少（減衰）していく際の「染み出しの広がり」を表す物理的な指標のこと。この値が大きいほど、電子がバリア層のより奥深く（長距離）まで透過できることを意味します。
注4. 半導体接合理論：デバイスを構成する物質間の静電ポテンシャルとそれに伴う界面での電荷分布を考える理論のこと。現代の半導体エレクトロニクスはこの理論によって設計・制御されている。
論文情報
タイトル：Role of barrier layer to prevent inherent charge transfer in oxide heterostructures
著者：Ryotaro Hayasaka, Yuuki Masutake, Seitaro Inoue, Daisuke Shiga*, Kenichi Ozawa, and Hiroshi Kumigashira*
*責任著者：東北大学多元物質科学研究所 教授 組頭 広志、助教 志賀 大亮
掲載誌：APL Materials
DOI：10.1063/5.0336589
発表者：
早坂 亮太朗 東北大学大学院理学研究科 大学院生（研究当時）
増竹 悠紀 東北大学大学院理学研究科 大学院生
井上 晴太郎 東北大学大学院理学研究科 大学院生
志賀 大亮 東北大学多元物質科学研究所 助教
小澤 健一 高エネルギー加速器研究機構 物質構造科学研究所 教授
組頭 広志 東北大学多元物質科学研究所 教授
詳細
問い合わせ先
＜研究に関すること＞
東北大学多元物質科学研究所
教授 組頭 広志
TEL: 022-217-5802
Email: kumigashira[at]tohoku.ac.jp
＜報道に関すること＞
東北大学多元物質科学研究所 広報情報室
TEL: 022-217-5198
Email: press.tagen[at]grp.tohoku.ac.jp
＊[at]を@に置き換えてください
Posted on：2026年7月14日
