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－

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－

2026年7月14日 11:00 | プレスリリース?研究成果

【本学研究者情报】

〇多元物质科学研究所　教授　组头広志

【発表のポイント】

原子层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电荷移动现象を高辉度放射光^（注１）を用いた共鸣光电子分光法^（注２）で可视化することに成功しました。
电荷移动の减衰长（染み出し长）^（注３）が、従来の半导体接合理论^（注４）の値に比べて数倍长いことを明らかにし、従来の半导体デバイス设计では考虑されていなかった「化学结合ネットワーク」の寄与を初めて実証しました。
この成果は、机能性酸化物デバイスの新しい设计指针の确立につながると期待されます。

【概要】

酸化物のナノ构造（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补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论である半导体接合理论では、説明のつかない现象が多々报告され、正确なデバイス设计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机构を见出しました。

本成果により得られた知见に基づいて、界面化学结合ネットワークを取り入れた理论を构筑する事で、最适な酸化物ナノ构造の机能が设计可能になり、次世代酸化物エレクトロニクスの実现が期待されます。

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结合ネットワーク（辫-诲-辫混成ネットワーク）の概念図
（左図）従来の半导体理论では、电子がバリア层（ポテンシャル障壁：図中央）をトンネルする効果のみが考虑されていたが、界面における化学结合により诲-辫-诲混成ネットワークが形成されることで、电子が长距离まで伝播できるようになる。（右図）実际に高辉度放射光により可视化した电荷移动现象。

【用语解説】

注1. 放射光
光速近くまで加速された电子の轨道を磁场によって曲げると、接线方向に光が放出されます。この光は放射光と呼ばれ、高い辉度や偏光性などの优れた特性をもつ光源として、科学技术の広い分野で大いに活用されています。近年、东北大キャンパスのナノテラスを始め、高辉度放射光施设が世界各地で建设されており、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
物质に齿线などの光を照射したときに光电効果によって飞び出してくる电子（光电子）のエネルギーや量を测定することで、物质内部の电子の状态を调べる手法を光电子分光と言います。さらに、光エネルギーを自由に変えられる放射光の特长を活かして、迁移金属（チタンなど）が持つ固有の吸収エネルギーに照射光の波长を合わせると、特定の元素の电子状态を可视化できます。この方法を共鸣光电子分光と呼びます。

注3. 減衰長（染み出し長）
电子の存在确率や电荷の移动量が、界面からバリア层の奥深くへ进むにつれて、指数関数的に减少（减衰）していく际の「染み出しの広がり」を表す物理的な指标のこと。この値が大きいほど、电子がバリア层のより奥深く（长距离）まで透过できることを意味します。

注4. 半導体接合理論
デバイスを构成する物质间の静电ポテンシャルとそれに伴う界面での电荷分布を考える理论のこと。现代の半导体エレクトロニクスはこの理论によって设计?制御されている。

【论文情报】

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：东北大学多元物质科学研究所　教授　組頭広志、助教　志賀大亮
掲載誌：APL Materials
DOI ：
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　　东北大学多元物质科学研究所　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　　东北大学多元物质科学研究所　教授

详细（プレスリリース本文）