研究紹介

「ルチル型酸化物半導体中の不純物水素の電子状態」

　　酸化物中の不純物水素は、陽イオン（H⁺）、陰イオン（H^-）、中性（H⁰）の状態を取り、その電気伝導特性に影響を与える。その例として、鉄系超伝導体（LaFeAsO）においてO^2-のH^-置換によるキャリア制御を行ったものがある[1]。結晶中のH状態を考察し、電気伝導の制御が可能になれば、デバイスなどへの応用にも役立つ。

我々はルチル型酸化物半導体MO₂ (M=Si, Ge, Sn, Pb, Ti, Zr, Hf)に注目し、密度汎関数法に基づく第一原理計算による構造最適化を行い、Bader解析[2]によってその取りうるHの荷電状態を調べた。図のように完全SiO₂結晶中おいて、（a）Hが中性水素原子として孤立して存在する場合（H⁰）、（b）O-H間の距離が約1.03Å で、0.96Åの水分子のO-H結合距離と同程度であり、O-H結合を形成してH⁺になる場合、（c）同様に1.33Å の結合距離のSi-H結合を形成してH^-になる場合がある。 SiO₂, HfO₂のように３つすべての荷電状態（H⁰, H⁺, H^-）を取る場合、ZrO₂のようにH⁺とH^-の荷電状態が存在する場合、GeO₂, SnO₂, PbO₂, TiO₂のようにH⁺の荷電状態のみの場合があることがわかった。このように、同じルチル型でも結晶によって異なるH状態になる。

 

[1] S. Iimura, S. Matuishi, H. Sato, T. Hanna, Y. Muraba, S.W. Kim, J.E. Kim, M. Takata, and H. Hosono, Nat. Commun. 3, 943 (2012).

[2] R. F. W. Bader, Atoms in Molecules - A Quantum Theory (Oxford University Press, Oxford, 1990).

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