純良単結晶育成

純良な単結晶育成はフェルミ面の研究や新物質開発にとって重要な柱の一つです。 物質のもつ物理的興味は当然重要ですが、大きく良い結晶ができた時はまた別の喜びがあります。私たちは様々な方法を駆使して、より良い単結晶の育成に挑戦しています。ここではいくつかの単結晶育成方法について紹介します。

●チョクラルスキー(Czochralski)法
原料の融体に種結晶、またはタングステンの棒を接触させ、融体の表面張力を利用して上へと引き上げることで単結晶育成を行います。引き上げる速さは10mm/h程度で比較的短時間で大きな結晶を得ることができます。結晶の均一性を高めるために、試料を細くするネッキングや引き上げ棒または融体を回転させるなど試行錯誤が必要となります。これらの育成方法を行うためにテトラアーク炉・高周波炉を用いています。

　高周波炉
タングステンなどのるつぼに原料を入れ、高周波のエネルギー損失によってるつぼ自体を発熱体とします。このため、引き上げ過程で融体が減少しても温度を一定に保ったままの育成が可能です。ただし、得たい結晶の融点が1500℃以上になるとるつぼと反応することが多くあまり適していません。

　テトラアーク炉
水冷した銅の受け皿に原材料を載せ、四方からアークを飛ばすことで融解し引き上げます。融点の高い結晶に対しても有効ですが、引き上げるとともに融体が減ってしまうため、温度調整が難しい。

引き上げの様子。種結晶を融体に近づけ、ネッキング(細くして結晶の方位をそろえる)、引き上げる。出来上がり。結晶育成中の動画もあります。

●フラックス法
フラックスとは原材料を溶かし込む溶媒のことで、低融点の金属、例えばインジウム、スズ、ビスマス、などが挙げられます。アルミナるつぼなどにフラックスと原材料を入れ、石英管に封入し1000℃程度の高温からの冷却過程で、目的の化合物を析出させる育成方法です。フラックスの除去は遠心分離やフラックスに応じた適当な酸を使います。溶媒に溶かすので、原材料本来の融点よりも低い温度での育成が可能となり、原材料自身の純度に比較的鈍感です。フラックス法では二元系、三元系にとどまらず、四元系になることあり、相図が与えられているものはほとんどありません。目的の結晶が育成できないこともありますが、新物質の発見に繋がることもあり、宝探しさながらの方法と言えるでしょう。また、以下の写真のように、結晶面がはっきりとわかるような結晶が得られます。チョクラルスキー方に比べると大型の結晶を得られないことや、一ヶ月程度の時間を要すること、フラックスが不純物として結晶内部に侵入してしまうこともあることが短所となります。

それぞれの育成方法には長所短所があり、目的の試料のために様々な方法を駆使して、純良単結晶の育成に取り組んでいます。得られた結晶の基本的な物性を評価・研究し、ドハース・ファンアルフェン効果測定・圧力技術により、フェルミ面や量子臨界点近傍の物理現象について研究を行っています。超音波・中性子・放射光・NMRなどのミクロな物性測定のために試料を提供するなどの共同研究を通して、様々な角度から研究を行っています。