希土類元素は単体だと反応性が高く、空気中では容易に酸化されて酸化物になります。よく知られた希土類単純酸化物はR2O3（Rは希土類元素）という化学式で表され、電気をほとんど流さず、複雑な結晶構造をもつことが知られています（図(a)）。しかし、強力な紫外レーザーを使った最新の薄膜技術を用いて、超高真空中で希土類金属や希土類酸化物を瞬間的に蒸発させることで（図(b)）、単純な岩塩構造をもつ酸化物ROを合成できることがわかりました。気体のROは多く知られていますが、固体のROは40年近く前にいくつかが合成されたのみです。厚さが十ナノメーターほどの薄膜だと、単結晶基板からのエピタキシャル力で、結晶が安定に存在します（図(c)）。化学式で見ると、ROはR2O3から酸素を一つ引き抜いただけですが、これらの希土類酸化物は大きく性質が異なることがわかってきました。たとえば、YO、LuOは電気を流す半導体で、YbOは電子の移動度が高い高性能な半導体です。NdOは低温で磁石の性質を示す金属で、SmOは極低温で量子力学的な性質を示す金属です。そして、LaOは超伝導体です。このように、希土類イオンの価数が3価から2価になることで、多様な性質を示します。大学の講義で使っている無機化学の教科書の記述に一部誤りがあることもわかりました。これらの物質では主にf電子の数が異なるだけですが、原子核の近くに局在していると考えられるf電子が電気的な性質に影響を及ぼすのは大変興味深いところです。
（論文情報）
D. Saito, K. Kaminaga, D. Oka, T. Fukumura
Phys. Rev. Mater. 3, 064407 (2019).
DOI: 10.1103/PhysRevMaterials.3.064407
https://journals.aps.org/prmaterials/abstract/10.1103/PhysRevMaterials.3.064407
T. Yamamoto, K. Kaminaga, D. Saito, D. Oka, T. Fukumura
Appl. Phys. Lett. 114, 162104 (2019).
DOI: 10.1063/1.5085938
https://aip.scitation.org/doi/10.1063/1.5085938
K. Kaminaga, D. Oka, T. Hasegawa, T. Fukumura
ACS Omega 3, 12501–12504 (2018).
DOI: 10.1021/acsomega.8b02082
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsomega.8b02082
K. Kaminaga, D. Oka, T. Hasegawa, T. Fukumura
J. Am. Chem. Soc. 140, 6754–6757 (2018).
DOI: 10.1021/jacs.8b03009
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.8b03009
Y. Uchida, K. Kaminaga, T. Fukumura, T. Hasegawa
Phys. Rev. B 95, 125111 (2017).
DOI: 10.1103/PhysRevB.95.125111
https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.95.125111
K. Kaminaga, R. Sei, K. Hayashi, N. Happo, H. Tajiri, D. Oka, T. Fukumura, T. Hasegawa
Appl. Phys. Lett. 108, 122102 (2016).
DOI: 10.1063/1.4944330
https://aip.scitation.org/doi/10.1063/1.4944330
（掲載日：２０１９年８月１日）
