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～水素化物エレクトロニクスの創成を目指して～
LiH エピタキシャル薄膜成長手法の確立と成長機構の解明
大口 裕之
東北大学大学院 工学研究科 ナノメカニクス専攻
Toward hydride electronics:
Synthesis and Growth Mechanism of LiH Epitaxial Thin Films
Hiroyuki Oguchi
Department of Nano-mechanics, Graduate School of Engineering, Tohoku University
水素化物は、イオン伝導、水素貯蔵、磁性、金属絶縁体転移などの多様な物性を示す興
味深い材料である。特に最近では、これまでで最高の転移温度を示す超伝導 [1]やヒドリド
イオン伝導[2]が報告されており、水素化物のエレクトロニクス分野への応用が大いに期待
されている。しかし、水素化物のエピタキシャル薄膜成長技術の発達が不十分なことや、
成長機構についての理解が進んでいないことが、デバイス開発の障害となっている。そこ
で我々は水素化物薄膜研究の基礎を確立すべく、最も単純で雛形となり得る水素化リチウ
ム（LiH）のエピタキシャル薄膜成長に挑戦し、さらに LiH 薄膜の微視的な成長機構解明に
取り組んでいる[3,4]。
LiH 薄膜の合成は、真空中（背圧 2 × 10 -9 Torr）において、
MgO(100)基板上に Li 薄膜を室温で堆積した後、0.5 気圧の水
素ガス雰囲気下で、液体状態の Li を水素化することにより行
った。また成長機構を原子レベルで明らかにするため、 第一
原理分子動力学により、MgO(100)基板上における LiH エピタ
キシャル薄膜成長過程のシミュレーションを行った。
得られた試料の XRD 2θ - θ スキャンの結果を図 1 に示す。
基板および Pd 表面保護層に由来する回折ピークを除くと、
LiH に由来するピークのみが観察されており、不純物を含ま
ない単相 LiH 薄膜の合成が示唆される。この試料の面内 XRD
φ スキャンを行ったところ、図 1 挿入図に示すように
LiH(200)面と MgO(200)面の 4 回対称性を示す回折ピークが同
じ角度に現れており、LiH[100] // MgO[100]の配向関係を持つ 図 １ ： 本 研 究 で 合 成 し た
LiH エピタキシャル薄膜が成長したことが明らかとなった。
LiH 薄膜の X 線 2θ–θ 回折パ
MgO(100)基板と液体 Li の界面付近をシミュレートした結 ターン 。
果、得られた LiH エピタキシャル成長過程の模式図を図 2 に
示す。液体状態の Li 原子と O 原子の間には強い親和力が働い
ており、その結果 MgO(100)基板表面では、O 原子上のサイト
が Li により占有され、Mg 上のサイトが空いた、原子レベル
の周期構造が形成される。薄膜成長過程では、Li 液体中を拡
散した H 原子がこの Mg 直上の非占有サイト空間に入り LiH
結晶核を生成する。このように、LiH の結晶核成長が MgO 基
板表面から開始され、その結果エピタキシャル薄膜成長が進
行するという成長機構が示唆された。
[1] A. P. Drozdov et al., arXiv:1412. 0460. [2] M. C. Verbraeken 図 2： LiH 薄膜のエピタキ
et al., Nat. Mater. 14, 95 (2014). [3] H. Oguchi et al., Appl. Phys. シャル成長機構。青、赤、
Lett. 105, 211601 (2014). [4] 大口他, 第 74 回応用物理学会秋季 ピンク、白の球はそれぞれ
学術講演会.
Mg、O、Li、H を示す。