宝石の王様として知られるダイヤモンドは、美しいだけでなく、多くの興味深い性質を持っています。例えば、最も堅い物質であること、室温での熱伝導率が最も高いこと、良質な絶縁体であることなどです。天然のダイヤモンドは、地球内部の高温高圧の環境下で生まれます。これに対し、約20年前に、メタンやエタノールなどのガスから、ダイヤモンドを合成する、気相成長法が開発され、比較的容易に質の高いダイヤモンド薄膜を合成することができるようになりました。
気相成長法では、ダイヤモンドにホウ素を添加することも出来ます。純粋なダイヤモンドは、電気の流れない絶縁体ですが、わずかにホウ素を添加すると、美しい青色になり半導体になります。このダイヤモンド半導体は、次世代半導体材料として研究開発が進められています。さらに、1-10万倍以上も多量にホウ素を添加したところ、ダイヤモンドは黒色になり、金属的電気伝導を示すようになります。そして、試料を低温に冷却すると、電気抵抗がゼロになる超伝導が現れることが最近分かりました。超伝導になる温度（超伝導転移温度）とホウ素濃度の関係を、図1に示します。ホウ素濃度が増加すると、超伝導転移温度も上昇することが分かります。さらに多くのホウ素を添加することが出来れば、超伝導転移温度もさらに上昇すると思われます。私達は、超伝導転移温度をさらに上昇させる挑戦をしています。
ダイヤモンドの超伝導は、半導体に起こる珍しい超伝導であると考えられ、その発現メカニズムの解明が求められています。私達は、アインシュタインの解明した光電効果（光を当てると電子が飛び出す）の原理を用いて、角度分解光電子分光測定を行いました。図2右はダイヤモンド半導体、左は金属化し超伝導を示すダイヤモンドの電子状態です。ホウ素濃度が増加すると、ダイヤモンドのエネルギーバンド（白線でなぞらえたところ）が上にシフトしてEF （フェルミエネルギー）と交差するようすが見て取れます。このことから、金属的伝導の起源がダイヤモンドのエネルギーバンドによるものであることが分かりました。これらの結果をもとに、私達は、半導体と超伝導の性質を複合した新しいデバイスの開発を目指しています。なお、この研究は、早稲田大学の川原田研究室と岡山大学の横谷研究室との共同研究で行われました。 |
