JP5721100B2 - Plate-like single crystal made of metal oxide, metal oxide thin film thereof, method for producing the same, and resistance variable element using them - Google Patents

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Description

本発明は、金属酸化物からなる板状単結晶体、その金属酸化物薄膜、それらの製造方法、および、それを用いた抵抗変化型素子に関する。   The present invention relates to a plate-like single crystal made of a metal oxide, a metal oxide thin film thereof, a production method thereof, and a resistance variable element using the same.

近年、マイルドな条件下で行われる水溶液系の自己アセンブリ技術が、注目されている。このような技術に用いられるビルディングブロック、あるいは、自己アセンブリした機能性薄膜の研究が、盛んである。   In recent years, an aqueous solution-based self-assembly technique performed under mild conditions has attracted attention. Research on building blocks or self-assembled functional thin films used in such technologies is thriving.

本願発明者らは、ビルディングブロックとなり得る、遷移金属を含有する層状水酸化物の合成に成功している(例えば、特許文献1および非特許文献1〜2を参照。)。特許文献1および非特許文献1〜2によれば、塩化コバルトを(必要に応じて、塩化鉄または塩化ニッケル)含有する水溶液にヘキサメチレンテトラミンを加え、還流することによって、Co(OH)、CoFe1−x(OH)、CoNi1−x(OH)(0<x<1)で表される良質な六角板状の層状結晶が得られる。このような六角板状の層状結晶は、板状方向に数マイクロメートル、および、厚さ方向に数十ナノメートルの大きさを有し、高い二次元異方性を有する。 The present inventors have succeeded in synthesizing a layered hydroxide containing a transition metal that can be a building block (see, for example, Patent Document 1 and Non-Patent Documents 1 and 2). According to Patent Document 1 and Non-Patent Documents 1 and 2, by adding hexamethylenetetramine to an aqueous solution containing cobalt chloride (if necessary, iron chloride or nickel chloride) and refluxing, Co (OH) 2 , High - quality hexagonal plate-like layered crystals represented by Co x Fe 1-x (OH) 2 and Co x Ni 1-x (OH) 2 (0 <x <1) are obtained. Such a hexagonal plate-like layered crystal has a size of several micrometers in the plate-like direction and several tens of nanometers in the thickness direction, and has high two-dimensional anisotropy.

さらに、本願発明者らは、希土類元素を含有する層状水酸化物を用いた機能性薄膜の合成に成功している(例えば、特許文献2を参照。)。特許文献2によれば、式(R)(OH)2.50.5/m・0.125xHO((R)は機能サイト、Zは陰イオン、mはZの価数、6<x<8、(R)には、RE元素とRE元素とは異なるM元素とが固溶されていて、RE元素は、3価の希土類元素群から選択された1つの元素であり、M元素は、3価の希土類元素群および3価の金属元素群から選択された元素である)で表わされる層状希土類水酸化物を水に分散させた分散液に、ヘキサンまたはトルエンのいずれかである第1の溶媒を添加し、分散液中の水と第1の溶媒との界面を形成するステップと、アルコール類である第2の溶媒をさらに添加し、界面に層状希土類水酸化物をトラップさせるステップと、第1の溶媒を除去するステップと、第2の溶媒が添加され、第1の溶媒が除去された分散液に基材を浸漬させ、トラップされた層状希土類水酸化物を基材に移すステップとにより、高い結晶性および高い配向性を有する機能性薄膜が得られる。 Furthermore, the present inventors have succeeded in synthesizing a functional thin film using a layered hydroxide containing a rare earth element (see, for example, Patent Document 2). According to Patent Document 2, the formula (R) (OH) 2.5 Z 0.5 / m · 0.125xH 2 O ((R) is a functional site, Z is an anion, m is the valence of Z, 6 <X <8, (R) contains a RE element and an M element different from the RE element, and the RE element is one element selected from a trivalent rare earth element group. The element is an element selected from a trivalent rare earth element group and a trivalent metal element group), and a dispersion in which a layered rare earth hydroxide represented by water is dispersed in water is either hexane or toluene. A step of adding a first solvent to form an interface between the water in the dispersion and the first solvent, and further adding a second solvent that is an alcohol to trap the layered rare earth hydroxide at the interface; Adding a step, removing the first solvent, adding a second solvent, The solvent was immersed the substrate in dispersion has been removed by the steps of transferring the trapped layered earth hydroxides to a substrate, a functional thin film having high crystallinity and high orientation can be obtained.

上述の特許文献1および非特許文献1〜2に記載の六角板状の層状結晶の用途の開発が望まれている。また、特許文献2の層状希土類水酸化物以外の材料からなる機能性薄膜の開発が期待される。   Development of applications of the hexagonal plate-like layered crystals described in Patent Document 1 and Non-Patent Documents 1 and 2 is desired. Further, development of a functional thin film made of a material other than the layered rare earth hydroxide of Patent Document 2 is expected.

一方、水酸化物から酸化物を合成する技術が知られている(例えば、特許文献3を参照。)。特許文献3によれば、配向した水酸化物薄膜を基板上に形成し、脱水反応によって特定の方位に配向した酸化物薄膜を合成できる。詳細には、MgO基板上に形成したCa(OH)膜を800℃2時間空気中で加熱することによって、(111)に強く配向したCaO膜が得られる。また、CaO膜以外にも、Mg(OH)、Ni(OH)、Co(OH)、Cd(OH)の(001)配向膜の脱水によって、(111)配向したMgO、NiO、CoO、CdO膜が得られる。しかしながら、特許文献3によれば、完全に(111)配向した酸化物膜を得ることは難しく、改善が望まれる。 On the other hand, a technique for synthesizing an oxide from a hydroxide is known (see, for example, Patent Document 3). According to Patent Document 3, an oriented hydroxide thin film is formed on a substrate, and an oxide thin film oriented in a specific direction can be synthesized by a dehydration reaction. Specifically, by heating the Ca (OH) 2 film formed on the MgO substrate in air at 800 ° C. for 2 hours, a CaO film strongly oriented to (111) is obtained. In addition to the CaO film, (111) -oriented MgO, NiO, Mg (OH) 2 , Ni (OH) 2 , Co (OH) 2 , and Cd (OH) 2 by dehydrating the (001) -oriented film CoO and CdO films are obtained. However, according to Patent Document 3, it is difficult to obtain a completely (111) oriented oxide film, and improvement is desired.

近年、上述の酸化物のうち物理的気相成長法によるNiOおよびCoOの酸化物薄膜において抵抗スイッチング効果(抵抗変化効果)が確認されている(例えば、非特許文献3を参照。)。非特許文献3によれば、Pt/Ni−O/PtおよびPt/Co−O/Ptの三層構造において抵抗スイッチング効果が確認され、抵抗変化型素子として機能し得る。   In recent years, a resistance switching effect (resistance change effect) has been confirmed in NiO and CoO oxide thin films formed by physical vapor deposition among the above-described oxides (see, for example, Non-Patent Document 3). According to Non-Patent Document 3, a resistance switching effect is confirmed in a three-layer structure of Pt / Ni—O / Pt and Pt / Co—O / Pt, and can function as a resistance variable element.

しかしながら、非特許文献3における物理的気相成長法による酸化物薄膜は粒子の集合体からなり、酸化物薄膜中には粒界が多数存在し、完全配向ではないため、十分な抵抗スイッチング効果が得られないという問題がある。また、抵抗変化型素子の実用化に向けて、100倍以上の電気抵抗変化率(高抵抗状態と低抵抗状態との比)、数10μA程度の低電流でのスイッチング、ならびに、10ns程度の早い動作速度が要求されるが、非特許文献3の酸化物薄膜はこのような要求に応えられない。さらに、酸化物薄膜の製造には、高価な大型真空装置が必要なため、コストが高い、操作が複雑、環境負荷が高いなどの問題点もある。   However, the oxide thin film formed by physical vapor deposition in Non-Patent Document 3 is composed of an aggregate of particles, and there are many grain boundaries in the oxide thin film, which is not perfectly oriented. There is a problem that it cannot be obtained. In addition, for practical application of resistance variable elements, the rate of change in electrical resistance is 100 times or more (ratio between high resistance state and low resistance state), switching at a low current of about several tens of μA, and as fast as about 10 ns. Although an operation speed is required, the oxide thin film of Non-Patent Document 3 cannot meet such a request. Furthermore, the production of an oxide thin film requires an expensive large vacuum apparatus, and thus has problems such as high cost, complicated operation, and high environmental load.

以上より、特許文献1および非特許文献1〜2を出発原料として新規な金属酸化物からなる板状単結晶体が得られれば、材料設計の観点から極めて有利であり、新しい用途が期待できる。   From the above, if a plate-like single crystal composed of a novel metal oxide is obtained using Patent Document 1 and Non-Patent Documents 1 and 2 as starting materials, it is extremely advantageous from the viewpoint of material design, and a new application can be expected.

したがって、本発明の課題は、金属酸化物からなる板状単結晶体、それを用いた金属酸化物薄膜、それらの製造方法、および、それらを用いた抵抗変化型素子を提供することである。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a plate-like single crystal made of a metal oxide, a metal oxide thin film using the same, a manufacturing method thereof, and a resistance variable element using them.

本発明による金属酸化物からなる板状単結晶体は、前記金属酸化物は、MOまたはM(ここで、Mは、Co、Fe、Ni、ZnおよびCuからなる群から少なくとも1つ選択される金属元素である)で表され、前記金属酸化物からなる板状単結晶体の形状は、六角形状であり、前記金属酸化物からなる板状単結晶体のアスペクト比は、66〜500であり、前記金属酸化物からなる板状単結晶体の平面方向の面は、前記金属酸化物の(111)結晶面であり、前記金属酸化物からなる板状単結晶体は、抵抗変化効果を有し、これにより上記課題を達成する。
記金属酸化物からなる板状単結晶体の高抵抗状態における電気抵抗は、10Ω〜1014Ωの範囲であり、低抵抗状態における電気抵抗は、10Ω〜10Ωの範囲であってもよい。
上記金属酸化物からなる板状単結晶体の製造方法は、M(OH)(ここで、Mは、Co、Fe、Ni、ZnおよびCuからなる群から少なくとも1つ選択される金属元素である)で表される金属水酸化物からなる板状単結晶体を加熱するステップを包含し、前記金属水酸化物からなる板状単結晶体の形状は、六角形状であり、前記金属水酸化物からなる板状単結晶体のアスペクト比は、66〜500であり、前記金属水酸化物からなる板状単結晶体の平面方向の面は、前記金属水酸化物の(001)結晶面であり、これにより上記課題を達成する。
前記加熱するステップは、真空または不活性ガス雰囲気中、200℃〜800℃の温度範囲で前記金属水酸化物からなる板状単結晶体を加熱してもよい。
前記加熱するステップは、大気中、400℃〜700℃の温度範囲で前記金属水酸化物からなる板状単結晶体を加熱してもよい。
本発明による金属酸化物からなる板状単結晶体からなる金属酸化物薄膜は、前記金属酸化物は、MOまたはM (ここで、Mは、Co、Fe、Ni、ZnおよびCuからなる群から少なくとも1つ選択される金属元素である)で表され、前記金属酸化物からなる板状単結晶体の形状は、六角形状であり、前記金属酸化物からなる板状単結晶体のアスペクト比は、10〜500であり、前記金属酸化物からなる板状単結晶体の平面方向の面は、前記金属酸化物の(111)結晶面であり、前記板状単結晶体は、前記板状単結晶体の平面方向に最密充填様に配列し、前記金属酸化物薄膜は、[111]に配向しており、これにより上記課題を解決する。
本発明による上記の金属酸化物薄膜の製造方法は、属酸化物からなる板状単結晶体を水に分散させた分散液に、ヘキサンまたはトルエンのいずれかである第1の溶媒を添加し、前記分散液中の水と前記第1の溶媒との界面を形成するステップと、アルコール類である第2の溶媒をさらに添加し、前記界面に前記金属酸化物からなる板状単結晶体をトラップさせるステップと、前記第1の溶媒を除去するステップと、前記界面にトラップされた前記金属酸化物からなる板状単結晶体に表面圧を印加するステップと、前記第1の溶媒が除去された前記分散液に基材を浸漬させ、前記トラップされた前記金属酸化物からなる板状単結晶体を前記基材に移すステップとを包含し、前記金属酸化物は、MOまたはM (ここで、Mは、Co、Fe、Ni、ZnおよびCuからなる群から少なくとも1つ選択される金属元素である)で表され、前記金属酸化物からなる板状単結晶体の形状は、六角形状であり、前記金属酸化物からなる板状単結晶体のアスペクト比は、10〜500であり、前記金属酸化物からなる板状単結晶体の平面方向の面は、前記金属酸化物の(111)結晶面であり、これにより上記課題を達成する。
前記界面を形成するステップに先立って、M(OH)(ここで、Mは、Co、Fe、Ni、ZnおよびCuからなる群から選択される金属元素である)で表される金属水酸化物からなる板状単結晶体を加熱し、前記金属酸化物からなる板状単結晶体に相転移させるステップをさらに包含してもよい。
本発明による上記の金属酸化物薄膜の製造方法は、M(OH)(ここで、Mは、Co、Fe、Ni、ZnおよびCuからなる群から少なくとも1つ選択される金属元素である)で表される金属水酸化物からなる板状単結晶体を水に分散させた分散液に、ヘキサンまたはトルエンのいずれかである第1の溶媒を添加し、前記分散液中の水と前記第1の溶媒との界面を形成するステップと、アルコール類である第2の溶媒をさらに添加し、前記界面に前記金属水酸化物からなる板状単結晶体をトラップさせるステップと、前記第1の溶媒を除去するステップと、前記界面にトラップされた前記金属水酸化物からなる板状単結晶体に表面圧を印加するステップと、前記第1の溶媒が除去された前記分散液に基材を浸漬させ、前記トラップされた前記金属水酸化物からなる板状単結晶体を前記基材に移すステップと、前記基材に移された前記金属水酸化物からなる板状単結晶体を加熱するステップとを包含し、これにより上記課題を達成する。
本発明による抵抗変化型素子は、第1の電極と、前記第1の電極上に位置する抵抗体と、前記抵抗体上に位置する第2の電極とを含み、前記抵抗体は、上記の金属酸化物からなる板状単結晶体、または、金属酸化物薄膜であり、これにより上記課題を達成する。
前記抵抗変化型素子のリセット電流は、1mA未満であってもよい。
In the plate-like single crystal comprising a metal oxide according to the present invention, the metal oxide is MO or M 3 O 4 (where M is at least one selected from the group consisting of Co, Fe, Ni, Zn and Cu). The shape of the plate-like single crystal made of the metal oxide is hexagonal, and the aspect ratio of the plate-like single crystal made of the metal oxide is 66 to is 500, the plane direction of the surface of the plate-like single crystal body composed of the metal oxide, the metal oxide (111) Ri crystal plane der, plate-like single crystal body composed of the metal oxide, the resistance It has a changing effect, thereby achieving the above-mentioned problem.
Electrical resistance in the high resistance state consisting previous SL metal oxide platy single crystal is in the range of 10 9 Ω~10 14 Ω, the electrical resistance in the low resistance state, a range of 10 3 Ω~10 7 Ω It may be.
The method for producing a plate-like single crystal made of the metal oxide is M (OH) 2 (where M is a metal element selected from at least one selected from the group consisting of Co, Fe, Ni, Zn and Cu). The step of heating a plate-like single crystal made of a metal hydroxide represented by the formula (1) , wherein the plate-like single crystal made of the metal hydroxide has a hexagonal shape, and the metal hydroxide The aspect ratio of the plate-like single crystal made of a product is 66 to 500, and the plane surface of the plate-like single crystal made of the metal hydroxide is the (001) crystal face of the metal hydroxide. Yes, thereby achieving the above problem.
The heating step may heat the plate-like single crystal made of the metal hydroxide in a temperature range of 200 ° C. to 800 ° C. in a vacuum or an inert gas atmosphere.
The heating step may heat the plate-like single crystal made of the metal hydroxide in the temperature range of 400 ° C. to 700 ° C. in the atmosphere.
Metal oxide thin film composed of a plate-shaped single crystal body consisting of O Rukin genus oxide in the present invention, the metal oxide, MO or M 3 O 4 (where, M is Co, Fe, Ni, Zn And the shape of the plate-shaped single crystal made of the metal oxide is hexagonal, and the plate-shaped single crystal made of the metal oxide is a hexagonal shape. The aspect ratio of the crystal is 10 to 500, and the plane surface of the plate-like single crystal made of the metal oxide is the (111) crystal plane of the metal oxide, and the plate-like single crystal Are arranged in a close-packed manner in the planar direction of the plate-like single crystal, and the metal oxide thin film is oriented in [111], thereby solving the above-mentioned problem.
The method of manufacturing a metal oxide thin film according to the present invention, the plate-like single crystal body composed of metallic oxide to the dispersion dispersed in water, was added to the first solvent is either hexane or toluene A step of forming an interface between the water in the dispersion and the first solvent, and a second solvent that is an alcohol are further added, and a plate-like single crystal made of the metal oxide is added to the interface. A step of trapping, a step of removing the first solvent, a step of applying a surface pressure to the plate-like single crystal made of the metal oxide trapped at the interface, and the first solvent being removed. Immersing the substrate in the dispersion and transferring the trapped plate-like single crystal made of the metal oxide to the substrate , wherein the metal oxide is MO or M 3 O 4 (Where M is Co, F e, Ni, Zn and Cu is a metal element selected from the group consisting of, and the shape of the plate-like single crystal made of the metal oxide is hexagonal, and the metal oxide An aspect ratio of the plate-like single crystal made of the metal oxide is 10 to 500, and a plane surface of the plate-like single crystal made of the metal oxide is a (111) crystal face of the metal oxide. The above-described problem is achieved.
Prior to the step of forming the interface, metal hydroxide represented by M (OH) 2 (where M is a metal element selected from the group consisting of Co, Fe, Ni, Zn and Cu). The method may further include the step of heating the plate-like single crystal made of a material to cause a phase transition to the plate-like single crystal made of the metal oxide.
The method for producing the metal oxide thin film according to the present invention includes M (OH) 2 (where M is a metal element selected from the group consisting of Co, Fe, Ni, Zn, and Cu). A first solvent that is either hexane or toluene is added to a dispersion in which a plate-like single crystal composed of a metal hydroxide represented by formula (1) is dispersed in water, and the water in the dispersion and the first A step of forming an interface with the first solvent, a step of further adding a second solvent that is an alcohol, and trapping the plate-like single crystal made of the metal hydroxide at the interface; Removing the solvent; applying a surface pressure to the plate-like single crystal made of the metal hydroxide trapped at the interface; and applying a substrate to the dispersion from which the first solvent has been removed. Soaked and trapped A step of transferring a plate-like single crystal made of the metal hydroxide to the substrate, and a step of heating the plate-like single crystal made of the metal hydroxide transferred to the substrate. The above-described problem is achieved.
The resistance variable element according to the present invention includes a first electrode, a resistor located on the first electrode, and a second electrode located on the resistor, wherein the resistor is It is a plate-like single crystal made of a metal oxide or a metal oxide thin film, thereby achieving the above object.
The reset current of the resistance variable element may be less than 1 mA.

本発明による板状単結晶体は、MOまたはM(ここで、Mは、Co、Fe、Ni、ZnおよびCuからなる群から少なくとも1つ選択される金属元素である)で表される金属酸化物からなり、これらの金属酸化物は、抵抗変化効果を示すので、抵抗変化型素子に適用できる。これらM元素は遷移金属元素であるため、遷移金属酸化物とガス(CO、H等)との反応による物性変化(電気抵抗、光学透過率、色)を利用したガスセンサにも適用できる。また、本発明の板状単結晶体の形状は、アスペクト比10〜500を有する六角形状であり、高い二次元異方性を有するビルディングブロックとして機能するので、精密な配列制御、新規な材料の設計を可能にする。また、本発明による板状単結晶体は、平面方向の面が金属酸化物の(111)結晶面であるので、任意の基材の上に容易に配向させることができる。 The plate-like single crystal according to the present invention is represented by MO or M 3 O 4 (where M is a metal element selected from the group consisting of Co, Fe, Ni, Zn and Cu). Since these metal oxides exhibit a resistance change effect, they can be applied to resistance change elements. Since these M elements are transition metal elements, they can also be applied to gas sensors that utilize changes in physical properties (electrical resistance, optical transmittance, color) due to the reaction between transition metal oxides and gases (CO, H 2, etc.). In addition, the shape of the plate-like single crystal of the present invention is a hexagonal shape having an aspect ratio of 10 to 500, and functions as a building block having high two-dimensional anisotropy. Enable design. In addition, the plate-like single crystal according to the present invention can be easily oriented on an arbitrary substrate because the plane in the plane direction is the (111) crystal plane of the metal oxide.

本発明による上記板状単結晶体の製造方法は、M(OH)(ここで、Mは、Co、Fe、Ni、ZnおよびCuからなる群から少なくとも1つ選択される金属元素である)で表される金属水酸化物からなる板状単結晶体を加熱するステップを包含する。単に加熱するだけで、M(OH)を、単結晶状態を保持したままトポタクティックに酸化物に相転移できる。金属水酸化物からなる板状単結晶体は、特許文献1および非特許文献1〜2に記載されるように、板状方向に数マイクロメートル、および、厚さ方向に数十ナノメートルの大きさを有し、高い二次元異方性を有するので、得られる酸化物もまたこのような形状的特性を有することができる。好ましくは、加熱するステップにおいて、真空中、200℃〜800℃の温度範囲で加熱すれば、M(OH)をMOに、大気中、400℃〜700℃の温度範囲で加熱すれば、M(OH)をMに相変化させることができるので、製造が容易である。 The method for producing the plate-like single crystal according to the present invention includes M (OH) 2 (where M is a metal element selected from the group consisting of Co, Fe, Ni, Zn and Cu). A step of heating a plate-like single crystal made of a metal hydroxide represented by the formula: By simply heating, M (OH) 2 can be phase-changed into an oxide topologically while maintaining a single crystal state. As described in Patent Document 1 and Non-Patent Documents 1 and 2, the plate-like single crystal made of metal hydroxide has a size of several micrometers in the plate-like direction and several tens of nanometers in the thickness direction. Therefore, the obtained oxide can also have such a shape characteristic. Preferably, in the step of heating, if heating is performed in a temperature range of 200 ° C. to 800 ° C. in a vacuum, M (OH) 2 is heated to MO, and if heated in a temperature range of 400 ° C. to 700 ° C. in the atmosphere, M Since (OH) 2 can be phase-changed to M 3 O 4 , the production is easy.

本発明による金属酸化物薄膜は、上述の金属酸化物からなる板状単結晶体からなり、板状単結晶体が、その平面方向に最密充填様に配列する。上述したように高い二次元異方性を有する板状単結晶体により、粒子の集合体のように配向性が不完全になることなく、完全に[111]に配向した金属酸化物薄膜を得ることができる。   The metal oxide thin film according to the present invention is composed of a plate-like single crystal made of the above-described metal oxide, and the plate-like single crystals are arranged in a close-packed manner in the plane direction. As described above, a plate-like single crystal having a high two-dimensional anisotropy provides a metal oxide thin film that is perfectly oriented to [111] without being incompletely oriented like an aggregate of particles. be able to.

本発明による金属酸化物薄膜の製造方法は、上述の金属酸化物からなる板状単結晶体を水に分散させた分散液に、ヘキサンまたはトルエンのいずれかである第1の溶媒を添加し、分散液中の水と第1の溶媒との界面を形成するステップと、アルコール類である第2の溶媒をさらに添加し、界面に金属酸化物からなる板状単結晶体をトラップさせるステップと、第1の溶媒を除去するステップと、界面にトラップされた金属酸化物からなる板状単結晶体に表面圧を印加するステップと、分散液に基材を浸漬させ、トラップされた金属酸化物からなる板状単結晶体を基材に移すステップとを包含する。トラップさせるステップおよび表面圧を印加するステップにより、金属酸化物からなる板状単結晶体は、最密充填様に配列させることができる。また、上述の製造方法によれば、特殊な装置を不要とするので低コストで金属酸化物薄膜を提供でき、その大面積化を可能にする。   In the method for producing a metal oxide thin film according to the present invention, a first solvent which is either hexane or toluene is added to a dispersion obtained by dispersing a plate-like single crystal composed of the above metal oxide in water, A step of forming an interface between the water in the dispersion and the first solvent, a step of further adding a second solvent that is an alcohol, and trapping a plate-like single crystal made of a metal oxide at the interface; Removing the first solvent, applying a surface pressure to the plate-like single crystal made of the metal oxide trapped at the interface, immersing the substrate in the dispersion, and from the trapped metal oxide And transferring the plate-like single crystal to the substrate. By the step of trapping and the step of applying a surface pressure, the plate-like single crystals made of metal oxide can be arranged in a close-packed manner. Moreover, according to the above-described manufacturing method, a special apparatus is not required, so that a metal oxide thin film can be provided at a low cost, and the area can be increased.

本発明による別の金属酸化物薄膜の製造方法は、上述の金属水酸化物からなる板状単結晶体を水に分散させた分散液に、ヘキサンまたはトルエンのいずれかである第1の溶媒を添加し、分散液中の水と第1の溶媒との界面を形成するステップと、アルコール類である第2の溶媒をさらに添加し、界面に金属水酸化物からなる板状単結晶体をトラップさせるステップと、第1の溶媒を除去するステップと、界面にトラップされた金属水酸化物からなる板状単結晶体に表面圧を印加するステップと、分散液に基材を浸漬させ、トラップされた金属水酸化物からなる板状単結晶体を基材に移すステップと、基材に移された金属水酸化物からなる板状単結晶体を加熱するステップとを包含する。トラップさせるステップおよび表面圧を印加するステップにより、金属水酸化物からなる板状単結晶体が最密充填様に配列し、これを加熱することにより金属酸化物に相変化させる。このような相変化は、トポタクティックに起こるので、金属酸化物が良好に最密充填様に配列し、[111]配向した金属酸化物薄膜が得られる。また、上述の製造方法によれば、特殊な装置を不要とするので低コストで金属酸化物薄膜を提供でき、その大面積化を可能にする。   In another method for producing a metal oxide thin film according to the present invention, a first solvent that is either hexane or toluene is added to a dispersion obtained by dispersing a plate-like single crystal composed of the above metal hydroxide in water. A step of forming an interface between the water in the dispersion and the first solvent, and further adding a second solvent that is an alcohol, and trapping a plate-like single crystal made of a metal hydroxide at the interface A step of removing the first solvent, a step of applying a surface pressure to the plate-like single crystal made of a metal hydroxide trapped at the interface, and a step of immersing the substrate in the dispersion and trapping. The step of transferring the plate-like single crystal made of metal hydroxide to the substrate and the step of heating the plate-like single crystal made of the metal hydroxide transferred to the substrate are included. By the step of trapping and the step of applying surface pressure, the plate-like single crystals made of metal hydroxide are arranged in a close-packed manner, and this is heated to change the phase to metal oxide. Such a phase change occurs topologically, so that a metal oxide thin film having a [111] orientation can be obtained by arranging the metal oxides in a close-packed manner. Moreover, according to the above-described manufacturing method, a special apparatus is not required, so that a metal oxide thin film can be provided at a low cost, and the area can be increased.

本発明による抵抗変化型素子は、第1の電極と、第1の電極上に位置する抵抗体と、抵抗体上に位置する第2の電極とを含み、抵抗体は、上述の金属酸化物からなる板状単結晶体、または、金属酸化物薄膜である。上述の板状単結晶体および金属酸化物薄膜は、既存の物理的気相成長法によって得られる金属酸化物とは異なり、高い二次元異方性を有する単一の単結晶、あるいは、その集合体からなるので、既存の物理的気相成長法で得られる金属酸化物に比べて高い抵抗を有し、抵抗変化型素子の要件を満たすことができる。また、単一の板状単結晶を用いた抵抗変化型素子によれば、マイクロまたはナノメートルサイズの小型素子となり得、これを実装すればメモリ全体の超小型化を達成できる。   A resistance variable element according to the present invention includes a first electrode, a resistor positioned on the first electrode, and a second electrode positioned on the resistor, the resistor being the metal oxide described above. It is a plate-like single crystal made of or a metal oxide thin film. Unlike the metal oxide obtained by the existing physical vapor deposition method, the plate-like single crystal and the metal oxide thin film described above are a single single crystal having a high two-dimensional anisotropy, or an assembly thereof. Since it consists of a body, it has high resistance compared with the metal oxide obtained by the existing physical vapor deposition method, and can satisfy the requirements of a resistance variable element. Moreover, according to the resistance variable element using a single plate-like single crystal, it can be a micro or nanometer-sized small element, and if this is mounted, the entire memory can be miniaturized.

本発明による金属酸化物からなる板状単結晶体の模式図Schematic diagram of a plate-like single crystal comprising a metal oxide according to the present invention 本発明による板状単結晶体の結晶構造モデルを示す図The figure which shows the crystal structure model of the plate-shaped single crystal body by this invention 本発明による板状単結晶体の製造工程を示すフローチャートThe flowchart which shows the manufacturing process of the plate-shaped single crystal by this invention 本発明によるMOで表される金属酸化物からなる板状単結晶体の製造工程を示す模式図The schematic diagram which shows the manufacturing process of the plate-shaped single crystal which consists of a metal oxide represented by MO by this invention 本発明によるMで表される金属酸化物からなる板状単結晶体の製造工程を示す模式図Schematic diagram showing a manufacturing process of M 3 made of a metal oxide represented by O 4 platy single crystal according to the present invention 本発明による金属酸化物からなる板状単結晶体からなる金属酸化物薄膜の模式図Schematic diagram of a metal oxide thin film comprising a plate-like single crystal comprising a metal oxide according to the present invention 本発明による金属酸化物薄膜の製造工程を示すフローチャートThe flowchart which shows the manufacturing process of the metal oxide thin film by this invention 本発明による金属酸化物薄膜の製造工程を示す模式図Schematic diagram showing the manufacturing process of metal oxide thin film according to the present invention 本発明による金属酸化物薄膜の別の製造工程を示すフローチャートThe flowchart which shows another manufacturing process of the metal oxide thin film by this invention. 本発明による金属酸化物薄膜の別の製造工程を示す模式図Schematic diagram showing another manufacturing process of the metal oxide thin film according to the present invention. 本発明による抵抗変化型素子を示す模式図Schematic diagram showing a variable resistance element according to the present invention. 本発明による別の抵抗変化型素子を示す模式図Schematic diagram showing another variable resistance element according to the present invention. 本発明による抵抗変化型素子の動作を示す模式図Schematic diagram showing the operation of the variable resistance element according to the present invention. 本発明の抵抗変化型素子のメモリ動作を示す模式図Schematic diagram showing the memory operation of the resistance variable element of the present invention. Co(OH)板状単結晶体を製造する様子を示す図The figure which shows a mode that a Co (OH) 2 plate-like single crystal is manufactured. 実施例1によるCo(OH)板状単結晶体の外観(A)とSEM像(B)とを示す図The figure which shows the external appearance (A) and SEM image (B) of Co (OH) 2 plate-like single crystal by Example 1. 実施例1によるCo(OH)板状単結晶体のTEM像(A)と電子回折パターン(B)とを示す図The figure which shows the TEM image (A) and electron diffraction pattern (B) of Co (OH) 2 plate-like single crystal by Example 1. 実施例1によるCo(OH)板状単結晶体のX線回折パターンを示す図The figure which shows the X-ray-diffraction pattern of Co (OH) 2 plate-like single crystal by Example 1 トラップされたCo(OH)板状単結晶体の表面圧−表面積(π−A)曲線を示す図The figure which shows the surface pressure-surface area ((pi) -A) curve of the trapped Co (OH) 2 plate-shaped single crystal body 実施例1によるCo(OH)膜/Siの膜の断面のデジタルカメラ画像(A)およびSEM像(B)を示す図The figure which shows the digital camera image (A) and SEM image (B) of the cross section of the film | membrane of Co (OH) 2 film | membrane / Si film by Example 1. FIG. 実施例1によるCo(OH)膜/Siの膜の表面のSEM像を示す図The figure which shows the SEM image of the surface of the film | membrane of Co (OH) 2 film | membrane / Si by Example 1. 実施例1による別のCo(OH)膜/Siの膜の表面のSEM像を示す図The figure which shows the SEM image of the surface of another Co (OH) 2 film | membrane / Si film | membrane by Example 1. 実施例1によるCo(OH)膜/Pt(a)、Co(OH)膜/Si(b)およびCo(OH)膜/石英(c)の膜のXRDパターンを示す図The figure which shows the XRD pattern of the film | membrane of Co (OH) 2 film | membrane / Pt (a), Co (OH) 2 film | membrane / Si (b), and Co (OH) 2 film | membrane / quartz (c) by Example 1. 実施例1による、Co(OH)膜/Si(a)およびCoO膜/Si(b)の膜のXRDパターンを示す図The figure which shows the XRD pattern of the film | membrane of Co (OH) 2 film | membrane / Si (a) and CoO film | membrane / Si (b) by Example 1. 実施例1によるCoO膜/Siの膜の表面のSEM像を示す図The figure which shows the SEM image of the surface of the film | membrane of CoO film | membrane / Si by Example 1 実施例1によるCoO膜/石英のUV−vis吸収スペクトルを示す図The figure which shows the UV-vis absorption spectrum of CoO film | membrane / quartz by Example 1 実施例1によるCoO膜/石英の光学バンドギャップを示す図The figure which shows the optical band gap of the CoO film | membrane / quartz by Example 1. 実施例2による抵抗変化型素子の模式図Schematic diagram of variable resistance element according to Example 2 実施例2による抵抗変化型素子のSEM像を示す図The figure which shows the SEM image of the resistance variable element by Example 2. 実施例2による抵抗変化型素子のスイッチング特性(I−V)を示す図The figure which shows the switching characteristic (IV) of the resistance variable element by Example 2. FIG. 実施例2による抵抗変化型素子のセット/リセット動作の繰り返し試験の結果を示す図The figure which shows the result of the repetition test of the set / reset operation | movement of the resistance change element by Example 2 実施例3によるCoO膜/PtのAFM像を示す図The figure which shows the AFM image of CoO film | membrane / Pt by Example 3. 実施例3によるCoO板状単結晶体/PtのTEM像(A)および電子回折パターン(B)を示す図The figure which shows the TEM image (A) and electron diffraction pattern (B) of CoO plate-like single crystal / Pt by Example 3. 実施例3による抵抗変化型素子の模式図Schematic diagram of variable resistance element according to Example 3 実施例3による抵抗変化型素子のスイッチング特性(I−V)を示す図The figure which shows the switching characteristic (IV) of the resistance variable element by Example 3. 実施例4によるCo膜/石英のXRDパターンを示す図It shows the XRD pattern of Co 3 O 4 film / quartz according to Example 4 実施例4によるCo膜/石英のCo2p内殻光電子スペクトルを示す図Shows a Co 3 O 4 film / Co2p inner shell photoelectron spectra of quartz according to Example 4 実施例4によるCo膜/SiのTEM像を示す図It shows a TEM image of Co 3 O 4 film / Si according to Example 4 実施例5による(Co,Ni)(OH)膜/Siの膜の表面のSEM像を示す図The figure which shows the SEM image of the surface of the film | membrane of the (Co, Ni) (OH) 2 film | membrane / Si film by Example 5. 実施例5による(Co,Ni)(OH)膜/Si(a)およびCoNiO膜/Si(b)の膜のXRDパターンを示す図The figure which shows the XRD pattern of the film | membrane of (Co, Ni) (OH) 2 film / Si (a) and Co 2 NiO 4 film / Si (b) by Example 5 実施例6によるCo板状単結晶体のXRDパターンを示す図It shows the XRD pattern of Co 3 O 4 platy single crystal according to Example 6 実施例6によるCo膜/石英の表面のSEM像を示す図It shows a SEM image of the surface of the Co 3 O 4 film / quartz according to Example 6 実施例6によるCo膜/石英のXRDパターンを示す図It shows the XRD pattern of Co 3 O 4 film / quartz according to Example 6

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。なお、同様の要素には同様の番号を付し、その説明を省略する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, the same number is attached | subjected to the same element and the description is abbreviate | omitted.

(実施の形態1)
実施の形態1は、本発明の金属酸化物からなる板状単結晶体およびその製造方法について詳述する。
(Embodiment 1)
In the first embodiment, a plate-like single crystal composed of the metal oxide of the present invention and a manufacturing method thereof will be described in detail.

図1は、本発明による金属酸化物からなる板状単結晶体の模式図である。   FIG. 1 is a schematic view of a plate-like single crystal made of a metal oxide according to the present invention.

本発明による板状単結晶体100は、MOまたはM(ここで、Mは、Co、Fe、Ni、ZnおよびCuからなる群から少なくとも1つ選択される金属元素である)で表される金属酸化物からなる。なお、MのMとしてCuまたはZnを選択する場合には、CuおよびZnは3価を取り得ないので、Co、FeあるいはNiと組み合わせて電荷の中性をとるように設定すればよい。Mは、例えば、CoとNiとの固溶体であってもよいし、CoとFeとの固溶体であってもよいし、CoとNiとFeとの固溶体であってもよく、その固溶比に制限はない。なお、固溶しているか否かは、X線回折等によって求めた金属酸化物の格子定数がベガード則にしたがっているか否か、または、化学組成分析を確認すればよい。 The plate-like single crystal 100 according to the present invention is represented by MO or M 3 O 4 (wherein M is a metal element selected from the group consisting of Co, Fe, Ni, Zn, and Cu). Made of metal oxide. When Cu or Zn is selected as M in M 3 O 4 , Cu and Zn cannot be trivalent, and may be set so as to take charge neutrality in combination with Co, Fe, or Ni. . M may be, for example, a solid solution of Co and Ni, a solid solution of Co and Fe, or a solid solution of Co, Ni, and Fe. There is no limit. Whether or not it is a solid solution may be confirmed by checking whether or not the lattice constant of the metal oxide determined by X-ray diffraction or the like follows the Vegard law or by chemical composition analysis.

具体的な金属酸化物MOは、岩塩型構造を有し、CoO、NiO、FeO、CuO、ZnO、(Co,Ni)O、(Co,Fe)O、(Co,Cu)O、(Co,Zn)O、(Ni,Fe)O、(Ni,Cu)O、(Ni,Zn)O、(Fe,Cu)O、(Fe,Zn)O、(Cu,Zn)O、(Co,Ni,Fe)O等であるが、組み合わせはこれらに限定されない。例えば、(Co,Ni)Oにおいて、(Co,Ni)とは、CoNi1−xO(0<x<1)と同義であり、CoとNiとの固溶比が任意であることを表す。 The specific metal oxide MO has a rock salt type structure, CoO, NiO, FeO, CuO, ZnO, (Co, Ni) O, (Co, Fe) O, (Co, Cu) O, (Co, Zn) O, (Ni, Fe) O, (Ni, Cu) O, (Ni, Zn) O, (Fe, Cu) O, (Fe, Zn) O, (Cu, Zn) O, (Co, Ni) , Fe) O, etc., but the combination is not limited to these. For example, in (Co, Ni) O, (Co, Ni) is synonymous with Co x Ni 1-x O (0 <x <1), and the solid solution ratio of Co and Ni is arbitrary. Represents.

具体的な金属酸化物Mは、スピネル型構造を有し、Co、Ni、Fe、(Co,Ni)、(Co,Fe)、(Co,Cu)、(Co,Zn)、(Ni,Fe)、(Ni,Cu)、(Ni,Zn)、(Fe,Cu)、(Fe,Zn)、(Co,Ni,Fe)等であるが、組み合わせはこれらに限定されない。例えば、(Co,Ni)において、(Co,Ni)とは、(CoNi1−x(0<x<1)と同義であり、CoとNiとの固溶比が任意であることを表す。 Specific metal oxides M 3 O 4 have a spinel structure, such as Co 3 O 4 , Ni 3 O 4 , Fe 3 O 4 , (Co, Ni) 3 O 4 , (Co, Fe) 3 O. 4 , (Co, Cu) 3 O 4 , (Co, Zn) 3 O 4 , (Ni, Fe) 3 O 4 , (Ni, Cu) 3 O 4 , (Ni, Zn) 3 O 4 , (Fe, Cu) 3 O 4 , (Fe, Zn) 3 O 4 , (Co, Ni, Fe) 3 O 4, etc., but the combination is not limited to these. For example, (Co, Ni) in 3 O 4, (Co, Ni) and has the same meaning as (Co x Ni 1-x) 3 O 4 (0 <x <1), the solid solution of Co and Ni The ratio is arbitrary.

本発明による板状単結晶体100の形状は、図1に示されるように、六角形状を有し、全体で単結晶である。このような六角形状は、MOおよびMの結晶構造に依存するのではなく、後述する出発原料であるM(OH)の六方晶系の結晶構造を反映している。さらに、板状単結晶体100のアスペクト比は、10〜500であり、極めて高い二次元異方性を有する。詳細には、板状単結晶体100の横サイズLが200nm〜10μmの範囲であり、厚さサイズDが20nm〜100nmの範囲である。さらに、板状単結晶体100の平面方向の面(以降では単に板状結晶面と称する)110は、(111)結晶面である。このように、既存の物理的気相成長法で得られるような粒子の集合体ではなく、二次元異方性の高い完全な単結晶である本発明の板状単結晶体100は、新規材料のためのビルディングブロックとして機能し得る。 The plate-like single crystal body 100 according to the present invention has a hexagonal shape as shown in FIG. 1 and is a single crystal as a whole. Such a hexagonal shape does not depend on the crystal structures of MO and M 3 O 4 but reflects the hexagonal crystal structure of M (OH) 2 which is a starting material described later. Furthermore, the aspect ratio of the plate-like single crystal 100 is 10 to 500, and has extremely high two-dimensional anisotropy. Specifically, the lateral size L of the plate-like single crystal body 100 is in the range of 200 nm to 10 μm, and the thickness size D is in the range of 20 nm to 100 nm. Furthermore, a plane surface (hereinafter, simply referred to as a plate crystal plane) 110 of the plate single crystal body 100 is a (111) crystal plane. As described above, the plate-like single crystal 100 of the present invention which is a complete single crystal having a high two-dimensional anisotropy rather than an aggregate of particles obtained by an existing physical vapor deposition method is a novel material. Can serve as a building block for

図2は、本発明による板状単結晶体の結晶構造モデルを示す図である。   FIG. 2 is a diagram showing a crystal structure model of a plate-like single crystal according to the present invention.

図2(A)は、MOで表される金属酸化物からなる板状単結晶体の結晶モデルであり、図2(B)は、Mで表される金属酸化物からなる板状単結晶体の結晶モデルである。 2A is a crystal model of a plate-like single crystal composed of a metal oxide represented by MO, and FIG. 2B is a plate model composed of a metal oxide represented by M 3 O 4. It is a crystal model of a single crystal.

MOは、岩塩型構造の酸化物であり、面心立方格子を有するが、本発明によるMOで表される金属酸化物からなる板状単結晶体100は、図2(A)に示されるように、CdI型構造のM(OH)の六方晶系(例えば、後述する図4を参照)を反映した六角形状を有する。図2(A)は、MOを[111]方向から見た八面体ユニット配列の結晶モデルであり、八面体ユニットの中心にM原子が位置する。ここで、MOの(111)面において、Mイオンは、正八面体の各頂点に位置する6個の酸素原子に囲まれている。 MO is an oxide having a rock salt structure and has a face-centered cubic lattice, but a plate-like single crystal 100 made of a metal oxide represented by MO according to the present invention is as shown in FIG. And a hexagonal shape reflecting a hexagonal system of M (OH) 2 having a CdI 2 type structure (see, for example, FIG. 4 described later). FIG. 2A is a crystal model of an octahedral unit arrangement when MO is viewed from the [111] direction, and an M atom is located at the center of the octahedral unit. Here, in the (111) plane of MO, M ions are surrounded by six oxygen atoms located at each vertex of the regular octahedron.

(例えば、(Co(Co2+Co3+ )、Ni(Ni2+Ni3+ )等)は、スピネル型構造の酸化物であるが、本発明によるMで表される金属酸化物からなる板状単結晶体100は、図2(B)に示されるように、CdI型構造のM(OH)の六方晶系を反映した六角形状を有する。図2(B)は、Mを[111]方向から見た八面体および四面体ユニット配列の結晶モデルであり、それぞれの中心にM原子が位置する。ここで、Mの(111)面において、Mイオンは、八面体ユニット配列の1/2が、M3+で占有され、四面体ユニット配列の1/8が、M2+で占有される。 M 3 O 4 (for example, (Co 3 O 4 (Co 2+ Co 3+ 2 O 4 ), Ni 3 O 4 (Ni 2+ Ni 3+ 2 O 4 ), etc.) is an oxide having a spinel structure. The plate-like single crystal body 100 made of a metal oxide represented by M 3 O 4 according to the invention reflects the hexagonal system of M (OH) 2 having a CdI 2 type structure as shown in FIG. 2 (B). 2B is a crystal model of octahedral and tetrahedral unit arrangements when M 3 O 4 is viewed from the [111] direction, in which M atoms are located at the respective centers. In the (111) plane of M 3 O 4 , 1/2 of the octahedral unit array is occupied by M 3+ and 1/8 of the tetrahedral unit array is occupied by M 2+ in the M ions .

本発明による板状単結晶体100を構成するMOおよびMは、いずれも、抵抗変化効果を示すので、抵抗変化型素子に適用できる。さらに、本発明による板状単結晶体100は、初期状態(製造直後)および高抵抗状態において10Ω〜1014Ωの範囲の高い電気抵抗を有する。これは、本発明による板状単結晶体100は、上述の金属酸化物に加えて、上述のアスペクト比を有する単結晶であるので、既存の物理的気相成長法によって得られる粒子からなる金属酸化物薄膜における粒界パス等がないためである。また、本発明による板状単結晶体100は、低抵抗状態において10Ω〜10Ωの範囲の電気抵抗を有する。このような高い電気抵抗を有する本発明の板状単結晶体100を抵抗変化型素子に適用すれば、100倍以上の電気抵抗変化率、および、数10μA程度の低電流でのスイッチングを可能にし得る。また、高抵抗状態と低抵抗状態との間の抵抗のウィンドウが10以上あるため、情報を確実に記録できる。 Since MO and M 3 O 4 constituting the plate-like single crystal body 100 according to the present invention both exhibit a resistance change effect, they can be applied to a resistance variable element. Furthermore, the plate-like single crystal 100 according to the present invention has a high electric resistance in the range of 10 9 Ω to 10 14 Ω in the initial state (immediately after production) and the high resistance state. This is because the plate-like single crystal body 100 according to the present invention is a single crystal having the above-mentioned aspect ratio in addition to the above-mentioned metal oxide, so that the metal composed of particles obtained by the existing physical vapor deposition method. This is because there is no grain boundary path in the oxide thin film. Moreover, the plate-like single crystal 100 according to the present invention has an electric resistance in the range of 10 3 Ω to 10 7 Ω in the low resistance state. When the plate-like single crystal body 100 of the present invention having such a high electric resistance is applied to a resistance variable element, switching at an electric resistance change rate of 100 times or more and a low current of about several tens of μA can be realized. obtain. Moreover, since the window in the resistance between the high resistance state and the low resistance state is 10 3 or more, the information can be reliably recorded.

また、本発明による板状単結晶体100を構成するMOおよびMは、いずれも遷移金属酸化物であるため、ガス(CO、H等)と容易に反応し、物性変化(電気抵抗、光学透過率、色)を生じる。本発明による板状単結晶体100は、このような物性変化を利用したガスセンサにも適用され得る。 Further, since MO and M 3 O 4 constituting the plate-like single crystal body 100 according to the present invention are both transition metal oxides, they easily react with gas (CO, H 2, etc.) and change physical properties (electricity). Resistance, optical transmittance, color). The plate-like single crystal body 100 according to the present invention can also be applied to a gas sensor using such physical property changes.

次に、上述の板状単結晶体100の製造方法を説明する。   Next, a method for producing the plate-like single crystal body 100 will be described.

図3は、本発明による板状単結晶体の製造工程を示すフローチャートである。
図4は、本発明によるMOで表される金属酸化物からなる板状単結晶体の製造工程を示す模式図である。
FIG. 3 is a flowchart showing a manufacturing process of a plate-like single crystal according to the present invention.
FIG. 4 is a schematic view showing a production process of a plate-like single crystal made of a metal oxide represented by MO according to the present invention.

ステップS310:M(OH)(ここで、Mは、Co、Fe、Ni、ZnおよびCuからなる群から少なくとも1つ選択される金属元素である)で表される金属水酸化物からなる板状単結晶体を加熱する。 Step S310: A plate made of a metal hydroxide represented by M (OH) 2 (where M is a metal element selected from the group consisting of Co, Fe, Ni, Zn and Cu). The single crystal is heated.

ここで、金属水酸化物からなる板状単結晶体400は、六角形状の単結晶体である。また、板状単結晶体のアスペクト比は、10〜500であり、その平面方向の板状結晶面410は、M(OH)の(001)結晶面を満たす。 Here, the plate-like single crystal 400 made of a metal hydroxide is a hexagonal single crystal. The aspect ratio of the plate-like single crystal is 10 to 500, and the plate-like crystal surface 410 in the plane direction satisfies the (001) crystal surface of M (OH) 2 .

ここで、M(OH)で表される金属酸化物からなる板状単結晶体400は、例えば、特許文献1および非特許文献1〜2に記載の方法によって製造され得る。具体的には、上記から選択されたMの塩、ヘキサメチレンテトラミン(HMT)または尿素を含有する水溶液中のHMTまたは尿素を分解し、Mの塩を加水分解すればよい。このような分解および加水分解は、水溶液を還流することによって達成できる。このようにして得た金属水酸化物からなる板状単結晶体400は、上述の形状およびサイズを確実に有する。 Here, the plate-like single crystal body 400 made of a metal oxide represented by M (OH) 2 can be manufactured by, for example, the methods described in Patent Document 1 and Non-Patent Documents 1 and 2. Specifically, the M salt selected from the above, HMT or urea in an aqueous solution containing hexamethylenetetramine (HMT) or urea may be decomposed to hydrolyze the M salt. Such decomposition and hydrolysis can be achieved by refluxing the aqueous solution. The plate-like single crystal 400 made of the metal hydroxide thus obtained surely has the shape and size described above.

加熱するステップS310は、好ましくは、真空または不活性ガス雰囲気中、200℃〜800℃の温度範囲で金属水酸化物からなる板状単結晶体400を加熱する。これにより、図4に示すように、M(OH)は、(111)面を有し、かつ、六角形状を有するMOに相変化する。すなわち、M(OH)をトポタクティックにMOに相転移させる。このステップは脱水反応であるため、200℃以上であれば確実に脱水が可能である。また、加熱温度が800℃を超えると高温炉が必要になりコストを要するので好ましくない。真空度は、好ましくは、10−2Pa以下である。不活性ガス雰囲気は、代表的には、Ar、Nであり得る。また、加熱の時間は、例えば、5分〜1時間である。真空または不活性ガス雰囲気中で加熱することにより、M原子を酸化することなく、200℃〜800℃の温度の加熱により、M(OH)中の水が効率的に脱水され、M(OH)をトポタクティックに確実にMOに相転移させることができる。 In the heating step S310, the plate-like single crystal 400 made of a metal hydroxide is preferably heated in a temperature range of 200 ° C. to 800 ° C. in a vacuum or an inert gas atmosphere. Thereby, as shown in FIG. 4, M (OH) 2 has a phase change to MO having a (111) plane and a hexagonal shape. That is, M (OH) 2 is phase-changed topologically to MO. Since this step is a dehydration reaction, dehydration can be reliably performed at 200 ° C. or higher. Further, if the heating temperature exceeds 800 ° C., a high temperature furnace is required and costs are not preferred. The degree of vacuum is preferably 10 −2 Pa or less. The inert gas atmosphere can typically be Ar, N 2 . Moreover, the time of a heating is 5 minutes-1 hour, for example. By heating in a vacuum or an inert gas atmosphere, water in M (OH) 2 is efficiently dehydrated by heating at a temperature of 200 ° C. to 800 ° C. without oxidizing M atoms, and M (OH ) 2 can be phase-changed to MO in a topotactic manner.

この脱水反応において、図4を参照すると、M(OH)およびMOにおける各Mイオンは、八面体ユニットの頂点に位置する6個の酸素原子によって囲まれている(図4)。また、MOの[111]方向から見た金属原子の配列および配位は、M(OH)の[001]方向から見たそれに極めて類似している。すなわち、MOにおける化学結合状態および配位は、M(OH)においてすでに存在していることになる。その結果、相転移は上述のようなトポタクティックであり、M(OH)のモルフォロジは維持されることになる。 In this dehydration reaction, referring to FIG. 4, each M ion in M (OH) 2 and MO is surrounded by six oxygen atoms located at the apex of the octahedral unit (FIG. 4). In addition, the arrangement and coordination of metal atoms as seen from the [111] direction of MO are very similar to those as seen from the [001] direction of M (OH) 2 . That is, the chemical bonding state and coordination in MO already exist in M (OH) 2 . As a result, the phase transition is topological as described above, and the morphology of M (OH) 2 is maintained.

図5は、本発明によるMで表される金属酸化物からなる板状単結晶体の製造工程を示す模式図である。 FIG. 5 is a schematic view showing a production process of a plate-like single crystal made of a metal oxide represented by M 3 O 4 according to the present invention.

ここでも図3および図5を参照し、製造工程を詳述する。   Again, the manufacturing process will be described in detail with reference to FIGS.

ステップS310:M(OH)(ここで、Mは、Co、Fe、Ni、ZnおよびCuからなる群から少なくとも1つ選択される金属元素である)で表される金属水酸化物からなる板状単結晶体を加熱する。ここで、金属水酸化物からなる板状単結晶体400は、上述したとおりであるため説明を省略する。 Step S310: A plate made of a metal hydroxide represented by M (OH) 2 (where M is a metal element selected from the group consisting of Co, Fe, Ni, Zn and Cu). The single crystal is heated. Here, since the plate-like single crystal 400 made of a metal hydroxide is as described above, the description thereof is omitted.

加熱するステップS310は、好ましくは、大気中、400℃〜700℃の温度範囲で金属水酸化物からなる板状単結晶体を加熱する。これにより、図5に示すように、脱水反応と酸化還元反応とを生じさせ、M(OH)は、(111)面を有し、かつ、六角形状を有するMに変化する。すなわち、M(OH)をトポタクティックにMに変化させることができる。詳細には、M原子は、一部は酸化されることなくM2+であり、一部は酸化されてM3+となる。加熱の時間は、例えば、30分〜2時間である。 In step S310 of heating, the plate-like single crystal made of a metal hydroxide is preferably heated in the temperature range of 400 ° C. to 700 ° C. in the atmosphere. Thereby, as shown in FIG. 5, a dehydration reaction and an oxidation-reduction reaction are caused, and M (OH) 2 changes to M 3 O 4 having a (111) plane and having a hexagonal shape. That is, M (OH) 2 can be changed topically to M 3 O 4 . Specifically, some of the M atoms are M 2+ without being oxidized, and some are oxidized to M 3+ . The heating time is, for example, 30 minutes to 2 hours.

この脱水・酸化還元反応において、図5を参照すると、M(OH)における各Mイオンは、6個の酸素原子によって囲まれている八面体ユニットの中心に位置するが、MではMイオンの一部が4個の酸素原子による四面体ユニットの中心に移動する。しかし、Mの[111]方向から見た金属原子の配列および配位は、M(OH)の[001]方向から見たそれに極めて類似している。したがって、M(OH)からCoへの相転移には化学的および結晶学的な再構成を要するが、本発明の方法を採用すれば、M(OH)のモルフォロジを維持したトポタクティックな相転移を可能にする。 In this dehydration / redox reaction, referring to FIG. 5, each M ion in M (OH) 2 is located in the center of an octahedral unit surrounded by six oxygen atoms, but in M 3 O 4 Part of the M ions moves to the center of the tetrahedral unit with four oxygen atoms. However, the arrangement and coordination of metal atoms as seen from the [111] direction of M 3 O 4 is very similar to that seen from the [001] direction of M (OH) 2 . Therefore, the phase transition from M (OH) 2 to Co 3 O 4 requires chemical and crystallographic reconfiguration, but if the method of the present invention is employed, the morphology of M (OH) 2 is maintained. Enables topotactic phase transition.

図3〜図5を参照して詳述したように、本発明によれば、M(OH)で表される金属水酸化物からなる板状単結晶体を出発原料に用い、所定の条件で加熱するだけで、MOまたはMで表される金属酸化物からなる板状単結晶体を得ることができる。 As described in detail with reference to FIGS. 3 to 5, according to the present invention, a plate-like single crystal composed of a metal hydroxide represented by M (OH) 2 is used as a starting material, and predetermined conditions are satisfied. A plate-like single crystal composed of a metal oxide represented by MO or M 3 O 4 can be obtained simply by heating at.

(実施の形態2)
実施の形態2は、実施の形態1で説明した板状単結晶体からなる金属酸化物薄膜およびその製造方法について詳述する。
(Embodiment 2)
Embodiment 2 details the metal oxide thin film which consists of a plate-shaped single crystal demonstrated in Embodiment 1, and its manufacturing method.

図6は、本発明による金属酸化物からなる板状単結晶体からなる金属酸化物薄膜の模式図である。   FIG. 6 is a schematic view of a metal oxide thin film made of a plate-like single crystal made of a metal oxide according to the present invention.

図6では、基材610上に位置する単層の金属酸化物薄膜600を示す。このように基材610上に金属酸化物薄膜600があれば、取扱が簡便であるため有利である。ここで、基材610は、Si、GaAs等の半導体基板、石英基板、ガラス基板、プラスチック等の有機基板、金属基板等任意の材料の基材であり得る。また、基材610は、平板に限らず、表面に曲率あるいは凹凸を有していてもよい。   In FIG. 6, a single-layer metal oxide thin film 600 located on the substrate 610 is shown. Thus, if the metal oxide thin film 600 exists on the base material 610, since handling is easy, it is advantageous. Here, the base material 610 may be a base material of any material such as a semiconductor substrate such as Si or GaAs, a quartz substrate, a glass substrate, an organic substrate such as plastic, or a metal substrate. Moreover, the base material 610 is not limited to a flat plate, and may have a curvature or unevenness on the surface.

金属酸化物薄膜600は、実施の形態1で詳述したMOまたはMで表される金属酸化物からなる板状単結晶体100からなる。板状単結晶体100は、上述したとおりであるため、説明を省略する。 The metal oxide thin film 600 is composed of the plate-like single crystal 100 made of the metal oxide represented by MO or M 3 O 4 described in detail in the first embodiment. Since the plate-like single crystal body 100 is as described above, the description thereof is omitted.

図6に示すように、板状単結晶体100が、その平面方向に最密充填様に配列し、金属酸化物薄膜600を構成する。このように、本発明による金属酸化物薄膜600は、既存の物理的気相成長法で見られるような、粒子の集合体からなる膜ではなく、板状単結晶体100の集合体からなる膜であるため、粒界の影響を無視でき、単結晶の特性を十分に発揮できる。なお、本明細書において「最密充填様」とは、完全な最密充填、ならびに、一部最密充填ではないが実質的に最密充填であり、デバイスに適用した際に特性を低下させない程度の板状単結晶体100の充填を意図する。   As shown in FIG. 6, the plate-like single crystals 100 are arranged in a close-packed manner in the planar direction to form a metal oxide thin film 600. As described above, the metal oxide thin film 600 according to the present invention is not a film made of an aggregate of particles as seen in an existing physical vapor deposition method, but a film made of an aggregate of plate-like single crystals 100. Therefore, the influence of the grain boundary can be ignored and the characteristics of the single crystal can be fully exhibited. In the present specification, “close-packing” means complete close-packing as well as partial close-packing substantially but not close-packing, and does not deteriorate the characteristics when applied to a device. The filling of the plate-like single crystal body 100 to the extent is intended.

本発明の金属酸化物薄膜600は、それを構成する板状単結晶体100の板状結晶面110に起因した高い結晶性および配向性を有する。詳細には、板状単結晶体100の板状結晶面110が(111)面であるため、最密充填様の配列により、[111]に配向した金属酸化物薄膜600が得られる。このように、本発明による金属酸化物薄膜600は、既存の物理的気相成長法で見られるような、粒子の集合体からなる膜ではなく、板状単結晶体100の集合体からなる膜であるため、完全な[111]配向を達成できる。   The metal oxide thin film 600 of the present invention has high crystallinity and orientation due to the plate-like crystal face 110 of the plate-like single crystal body 100 constituting the metal oxide thin film 600. Specifically, since the plate-like crystal face 110 of the plate-like single crystal body 100 is the (111) face, the metal oxide thin film 600 oriented in [111] is obtained by the close-packed arrangement. As described above, the metal oxide thin film 600 according to the present invention is not a film made of an aggregate of particles as seen in an existing physical vapor deposition method, but a film made of an aggregate of plate-like single crystals 100. Therefore, complete [111] orientation can be achieved.

板状単結晶体100の厚さが、20nm〜100nmの範囲であるため、単層の金属酸化物薄膜600の厚さもまた、板状単結晶体100の厚さを反映した、20nm〜100nmの範囲である。なお、本発明の金属酸化物薄膜600の膜厚は、板状単結晶体100の積層数に応じて制御可能である。   Since the thickness of the plate-like single crystal body 100 is in the range of 20 nm to 100 nm, the thickness of the single-layer metal oxide thin film 600 is also 20 nm to 100 nm reflecting the thickness of the plate-like single crystal body 100. It is a range. Note that the film thickness of the metal oxide thin film 600 of the present invention can be controlled according to the number of laminated single crystal bodies 100.

本発明による金属酸化物薄膜600もまた、板状単結晶体100と同様の効果を有するため、抵抗変化型素子、ガスセンサ等に適用される。例えば、本発明による金属酸化物薄膜600は、上述したように、既存の物理的気相成長法と異なり膜中に粒界パス等がないため、板状単結晶体100の高い電気抵抗(10Ω〜1014Ω)を膜においても発揮できるので、既存の物理的気相成長法による薄膜に代替し得る。 Since the metal oxide thin film 600 according to the present invention also has the same effect as the plate-like single crystal body 100, it is applied to a resistance variable element, a gas sensor and the like. For example, unlike the existing physical vapor deposition method, the metal oxide thin film 600 according to the present invention does not have a grain boundary path or the like in the film, and thus has a high electrical resistance (10 9 Ω to 10 14 Ω) can also be exhibited in the film, so that it can be replaced with a thin film by an existing physical vapor deposition method.

次に、上述の金属酸化物薄膜600の製造方法を説明する。   Next, a method for manufacturing the metal oxide thin film 600 will be described.

図7は、本発明による金属酸化物薄膜の製造工程を示すフローチャートである。
図8は、本発明による金属酸化物薄膜の製造工程を示す模式図である。
FIG. 7 is a flowchart showing a manufacturing process of a metal oxide thin film according to the present invention.
FIG. 8 is a schematic view showing a process for producing a metal oxide thin film according to the present invention.

ステップS710:図1を参照して説明した板状単結晶体100を水800に分散させた分散液(図8の状態(A))に、第1の溶媒810を添加し、これにより、水800と第1の溶媒810との界面820を形成する(図8の状態(B))。例示的な第1の溶媒810は、ヘキサン、トルエンである。これらの第1の溶媒810の比重は、水のそれよりも軽いため、下層部に水800、および、上層部に第1の溶媒810となるように分液され、この結果、界面820が形成される。   Step S710: The first solvent 810 is added to the dispersion (state (A) in FIG. 8) in which the plate-like single crystal body 100 described with reference to FIG. An interface 820 between 800 and the first solvent 810 is formed (state (B) in FIG. 8). Exemplary first solvent 810 is hexane, toluene. Since the specific gravity of these first solvents 810 is lighter than that of water, the first solvent 810 is separated so as to become water 800 in the lower layer and the first solvent 810 in the upper layer. As a result, an interface 820 is formed. Is done.

ステップS720:第2の溶媒830をさらに添加する。これにより、板状単結晶体100が、ステップS710で形成した界面820にトラップされる(図8の状態(C))。第2の溶媒830は、アルコール類であれば任意であるが、汎用性および取扱の容易性の観点から、エタノール、プロパノール、ブタノールが好ましい。   Step S720: The second solvent 830 is further added. Thereby, the plate-like single crystal body 100 is trapped at the interface 820 formed in step S710 (state (C) in FIG. 8). The second solvent 830 is optional as long as it is an alcohol, but ethanol, propanol, and butanol are preferable from the viewpoint of versatility and ease of handling.

板状単結晶体100は、界面820に対してランダムに配向するのではなく、その板状結晶面110が界面820と平行になるように自己組織化的にトラップされる。これは、板状単結晶体100がその2次元異方性ゆえ板状結晶面を界面820に平行に配列すること、すなわち界面820に対して[111]配向することがもっとも安定であるからである。また表面張力、結晶表面の電荷反発などの関係から板状単結晶体同士が重なりあうことがなく、自己組織化的にモノレイヤーとして配列する。   The plate-like single crystal body 100 is not randomly oriented with respect to the interface 820 but is trapped in a self-organized manner so that the plate-like crystal surface 110 is parallel to the interface 820. This is because it is most stable that the plate-like single crystal body 100 has the two-dimensional anisotropy so that the plate-like crystal plane is arranged in parallel to the interface 820, that is, [111] orientation with respect to the interface 820. is there. In addition, the plate-like single crystals do not overlap each other due to surface tension, charge repulsion on the crystal surface, etc., and are arranged as a monolayer in a self-organized manner.

ステップS730:第1の溶媒810を除去する。図8の状態(C)において第1の溶媒810を除去すると、図8の状態(D)となり、界面820にトラップされた金属酸化物からなる板状単結晶体100が膜状となり残る。   Step S730: The first solvent 810 is removed. When the first solvent 810 is removed in the state (C) of FIG. 8, the state (D) of FIG. 8 is obtained, and the plate-like single crystal body 100 made of a metal oxide trapped at the interface 820 remains as a film.

ステップS740:トラップされた金属酸化物からなる板状単結晶体100に表面圧840を印加する(図8の状態(E))。これにより、板状単結晶体100の最密充填様の配列を確実にし得る。印加する表面圧は、好ましくは、5mNm−1〜25mNm−1の範囲である。印加する表面圧が5mNm−1を下回ると、板状単結晶体100の配列が乱れ、最密充填様の配列に到達せず、得られる金属酸化物薄膜600において板状単結晶体100間に隙間が生じ得る場合がある。印加する表面圧が25mNm−1を超えると、表面圧が高すぎることにより板状単結晶体100が一部重なりあい、得られる金属酸化物薄膜600の結晶性を低下させる場合がある。 Step S740: A surface pressure 840 is applied to the plate-like single crystal body 100 made of the trapped metal oxide (state (E) in FIG. 8). Thereby, the close-packed-like arrangement of the plate-like single crystal body 100 can be ensured. The applied surface pressure is preferably in the range of 5 mNm −1 to 25 mNm −1 . When the applied surface pressure is less than 5 mNm −1 , the arrangement of the plate-like single crystals 100 is disturbed and does not reach the close-packed arrangement, and the resulting metal oxide thin film 600 has a gap between the plate-like single crystals 100. There may be gaps. When the applied surface pressure exceeds 25 mNm −1 , the plate-like single crystal body 100 partially overlaps due to the surface pressure being too high, and the crystallinity of the resulting metal oxide thin film 600 may be lowered.

ステップS750:分散液に基材610(図6)を浸漬させ、界面820にトラップされた板状単結晶体100を基材610に移す(転写する)(図8の状態(E))。トラップされた板状単結晶体100は、界面820に対して[111]優先配向しているが、基材610を引上げる際も、板状単結晶体100は、基材610に対して優先配向を維持したまま基材610に移される。このようにして基材610上に[111]配向し、最密充填様に配列した板状単結晶体100からなる金属酸化物薄膜600が得られる。なお、ステップS740およびS750は同時に行われ得る。   Step S750: Substrate 610 (FIG. 6) is immersed in the dispersion, and plate-like single crystal body 100 trapped at interface 820 is transferred (transferred) to substrate 610 (state (E) in FIG. 8). The trapped plate-like single crystal body 100 is [111] preferentially oriented with respect to the interface 820, but the plate-like single crystal body 100 has priority over the base material 610 when the base material 610 is pulled up. It is transferred to the substrate 610 while maintaining the orientation. In this way, a metal oxide thin film 600 composed of the plate-like single crystal bodies 100 which are [111] -oriented on the substrate 610 and arranged in a close-packed manner is obtained. Note that steps S740 and S750 can be performed simultaneously.

なお、ステップS750を複数回繰り返すことによって、多層構造の板状単結晶体100からなる金属酸化物薄膜(図示せず)が得られることは容易に理解され、ステップS750の回数は、金属酸化物薄膜の所望の膜厚に応じて、任意である。   Note that it is easily understood that a metal oxide thin film (not shown) made of the plate-like single crystal body 100 having a multilayer structure can be obtained by repeating step S750 a plurality of times. It is optional depending on the desired film thickness of the thin film.

なお、ステップS710に先立って、M(OH)で表される金属水酸化物からなる板状単結晶体400(図4および図5)を加熱するステップ(図示せず)を行って、MOまたはMで表される金属酸化物からなる板状単結晶体100(図1)にトポタクティックに相転移させておいてもよい。ここでの加熱の条件は、図3〜図5を参照して詳述したとおりであるため、説明を省略する。 Prior to step S710, a step (not shown) of heating plate-like single crystal 400 (FIGS. 4 and 5) made of a metal hydroxide represented by M (OH) 2 is performed, and MO Alternatively, a phase transition may be made topotropically to the plate-like single crystal 100 (FIG. 1) made of a metal oxide represented by M 3 O 4 . The heating conditions here are as described in detail with reference to FIGS.

以上、図7〜図8を参照して説明したように、本発明の金属酸化物薄膜600は、金属水酸化物400をトポタクティックに相転移させたMOまたはMで表される金属酸化物の板状単結晶体100の二次元異方性を利用して製造される。本発明の方法は、物理気相成長法または化学気相成長法に代表される、複雑、大規模かつ高価な装置を必要としないので、容易かつ安価に結晶性および配向性に優れた機能薄膜を提供できる。また、本発明の製造方法によれば、大きな容器さえ入手すれば、容易に大面積化も可能であるので、実用化に好適である。 As described above with reference to FIGS. 7 to 8, the metal oxide thin film 600 of the present invention is represented by MO or M 3 O 4 in which the metal hydroxide 400 is phase-changed topologically. It is manufactured using the two-dimensional anisotropy of the plate-like single crystal 100 of metal oxide. Since the method of the present invention does not require a complicated, large-scale and expensive apparatus represented by physical vapor deposition or chemical vapor deposition, a functional thin film having excellent crystallinity and orientation easily and inexpensively. Can provide. Further, according to the production method of the present invention, if a large container is obtained, the area can be easily increased, which is suitable for practical use.

図9は、本発明による金属酸化物薄膜の別の製造工程を示すフローチャートである。
図10は、本発明による金属酸化物薄膜の別の製造工程を示す模式図である。
FIG. 9 is a flowchart showing another manufacturing process of the metal oxide thin film according to the present invention.
FIG. 10 is a schematic view showing another manufacturing process of the metal oxide thin film according to the present invention.

ステップS910:図3〜図5を参照して説明したM(OH)で表される金属水酸化物からなる板状単結晶体400(図4および図5)を水800に分散させた分散液(図10の状態(A))に第1の溶媒810を添加し、これにより、水溶液中の水800と第1の溶媒810との界面820を形成する(図10の状態(B))。例示的な第1の溶媒810は、ヘキサン、トルエンである。これらの第1の溶媒810の比重は、水800のそれよりも軽いため、下層部に水800、および、上層部に第1の溶媒810となるように分液され、これにより界面820が形成される。 Step S910: Dispersion in which a plate-like single crystal 400 (FIGS. 4 and 5) made of a metal hydroxide represented by M (OH) 2 described with reference to FIGS. 3 to 5 is dispersed in water 800 The first solvent 810 is added to the liquid (state (A) in FIG. 10), thereby forming an interface 820 between the water 800 in the aqueous solution and the first solvent 810 (state (B) in FIG. 10). . Exemplary first solvent 810 is hexane, toluene. Since the specific gravity of these first solvents 810 is lighter than that of water 800, the first solvent 810 is separated so as to become water 800 in the lower layer and the first solvent 810 in the upper layer, thereby forming an interface 820. Is done.

ステップS920:第2の溶媒830をさらに添加する。これにより、板状単結晶体400が、ステップS910で形成した界面820にトラップされる(図10の状態(C))。第2の溶媒830は、アルコール類であれば任意であるが、汎用性および取扱の容易性の観点から、エタノール、プロパノール、ブタノールが好ましい。板状単結晶体400は、界面820に対してランダムに配向するのではなく、その板状結晶面410が界面820と平行になるように自己組織化的にトラップされる。これは、板状単結晶体400がその2次元異方性ゆえ板状結晶面410を界面820に平行に配列すること、すなわち界面820に対して[001]配向することがもっとも安定であるからである。また表面張力、結晶表面の電荷反発などの関係から板状単結晶体同士が重なりあうことがなく、自己組織化的にモノレイヤーとして配列する。   Step S920: The second solvent 830 is further added. Thereby, the plate-like single crystal 400 is trapped at the interface 820 formed in step S910 (state (C) in FIG. 10). The second solvent 830 is optional as long as it is an alcohol, but ethanol, propanol, and butanol are preferable from the viewpoint of versatility and ease of handling. The plate-like single crystal 400 is not randomly oriented with respect to the interface 820 but is trapped in a self-organized manner so that the plate-like crystal surface 410 is parallel to the interface 820. This is because it is most stable that the plate-like single crystal body 400 has the two-dimensional anisotropy so that the plate-like crystal face 410 is arranged in parallel to the interface 820, that is, [001] orientation with respect to the interface 820. It is. In addition, the plate-like single crystals do not overlap each other due to surface tension, charge repulsion on the crystal surface, etc., and are arranged as a monolayer in a self-organized manner.

ステップS930:第1の溶媒810を除去する。図10の状態(C)において上層部の第1の溶媒810を除去すると、状態(D)となる。   Step S930: The first solvent 810 is removed. When the first solvent 810 in the upper layer portion is removed in the state (C) of FIG. 10, the state (D) is obtained.

ステップS940:トラップされた金属水酸化物からなる板状単結晶体400に表面圧840を印加する。これにより、板状単結晶体400の最密充填様の配列を確実にし得る。印加する表面圧は、好ましくは、5mNm−1〜25mNm−1の範囲である。印加する表面圧が5mNm−1を下回ると、板状単結晶体400の最密充填様の配列まで行かず、最終的に得られる金属酸化物薄膜600において板状単結晶体100間に隙間が生じ得る場合がある。印加する表面圧が25mNm−1を超えると、表面圧が高すぎることにより板状単結晶体400が一部重なりあい、得られる金属酸化物薄膜600の結晶性を低下させる場合がある。 Step S940: A surface pressure 840 is applied to the plate-like single crystal 400 made of the trapped metal hydroxide. Thereby, the close-packed-like arrangement of the plate-like single crystal bodies 400 can be ensured. The applied surface pressure is preferably in the range of 5 mNm −1 to 25 mNm −1 . When the applied surface pressure is less than 5 mNm −1 , the plate-like single crystal 400 does not reach the close-packed arrangement, and a gap is formed between the plate single crystals 100 in the finally obtained metal oxide thin film 600. It can happen. When the applied surface pressure exceeds 25 mNm −1 , the surface pressure is too high, and the plate-like single crystal 400 partially overlaps, which may reduce the crystallinity of the resulting metal oxide thin film 600.

ステップS950:ステップS940で得られた分散液に基材610(図6)を浸漬させ、界面820にトラップされた金属水酸化物からなる板状単結晶体層400を基材610に移す(転写する)(図10の状態(E))。トラップされた板状単結晶体400は、界面820に対して[001]配向しているが、基材610を引上げる際も、板状単結晶体400は、基材610に対して[001]配向を維持したまま基材610に移される。このようにして基材610上に、[001]配向し、最密充填様に配列した金属水酸化物からなる板状単結晶体400からなる金属水酸化物膜1000が得られる。ここで金属水酸化物膜1000は、図10(F)に模式的に示されるように、板状単結晶体400のそれぞれが[001]配向しており、金属水酸化物膜1000全体として、[001]配向である。   Step S950: Substrate 610 (FIG. 6) is immersed in the dispersion obtained in Step S940, and plate-like single crystal layer 400 made of metal hydroxide trapped at interface 820 is transferred to substrate 610 (transfer) (State (E) in FIG. 10). Although the trapped plate-like single crystal 400 is [001] oriented with respect to the interface 820, the plate-like single crystal 400 is [001] with respect to the substrate 610 when the substrate 610 is pulled up. It is transferred to the substrate 610 while maintaining the orientation. In this way, the metal hydroxide film 1000 made of the plate-like single crystal 400 made of the metal hydroxide having [001] orientation and arranged in a close-packed manner is obtained on the base material 610. Here, in the metal hydroxide film 1000, as schematically shown in FIG. 10F, each of the plate-like single crystals 400 is [001] -oriented, [001] orientation.

ステップS960:ステップS950で得られた板状単結晶体400からなる金属水酸化物膜1000(図15の状態(F))を加熱する。これにより、金属水酸化物からなる板状単結晶体400のそれぞれは、金属酸化物からなる板状単結晶体100にトポタクティックに相転移し、金属水酸化物膜1000が、板状単結晶体100からなる金属酸化物薄膜600となる(図15の状態(G))。   Step S960: The metal hydroxide film 1000 (state (F) in FIG. 15) made of the plate-like single crystal 400 obtained in step S950 is heated. As a result, each of the plate-like single crystals 400 made of a metal hydroxide undergoes a topotropic phase transition to the plate-like single crystal 100 made of a metal oxide, and the metal hydroxide film 1000 becomes a plate-like single crystal. A metal oxide thin film 600 made of the crystal 100 is obtained (state (G) in FIG. 15).

ここでの加熱の条件は、図3〜図5を参照して詳述した加熱の条件と同様である。すなわち、M(OH)で表される金属水酸化物からなる板状単結晶体からMOで表される金属酸化物からなる板状単結晶体を得る場合の加熱の条件は、真空または不活性ガス雰囲気中、200℃〜800℃の温度範囲が好ましく、M(OH)で表される金属水酸化物からなる板状単結晶体からMで表される金属酸化物からなる板状単結晶体を得る場合の加熱の条件は、大気中、400℃〜700℃の温度範囲が好ましい。 The heating conditions here are the same as the heating conditions described in detail with reference to FIGS. That is, the heating conditions for obtaining a plate-like single crystal made of a metal oxide represented by MO from a plate-like single crystal made of a metal hydroxide represented by M (OH) 2 are vacuum or insoluble. In an active gas atmosphere, a temperature range of 200 ° C. to 800 ° C. is preferable, and a plate-like single crystal made of a metal hydroxide represented by M (OH) 2 is made of a metal oxide represented by M 3 O 4 The heating conditions for obtaining the plate-like single crystal are preferably in the temperature range of 400 ° C. to 700 ° C. in the air.

図4および図5を参照して説明したように、金属水酸化物からなる板状単結晶体400から金属酸化物からなる板状単結晶体100へのトポタクティックな相転移は、M原子の配列が基本的に維持される形で進行する。詳細には、板状単結晶体400は、[001]配向であったが、加熱によるトポタクティックな相転移により、[111]配向した板状単結晶体100になる。その結果、金属水酸化物膜1000は、板状単結晶体100からなる金属酸化物薄膜600となり、金属酸化物薄膜600は、全体として[111]に完全配向している。   As described with reference to FIGS. 4 and 5, the topological phase transition from the plate-like single crystal 400 made of metal hydroxide to the plate-like single crystal 100 made of metal oxide is caused by M atoms. Proceeds in such a way that the sequence of is basically maintained. Specifically, the plate-like single crystal body 400 has [001] orientation, but becomes a [111] -oriented plate-like single crystal body 100 due to a topotactic phase transition caused by heating. As a result, the metal hydroxide film 1000 becomes a metal oxide thin film 600 composed of the plate-like single crystal body 100, and the metal oxide thin film 600 is completely oriented to [111] as a whole.

また、ステップS960の加熱によるトポタクティックな相転移において、板状単結晶体400のモルフォロジおよび基材610上での配置は、板状単結晶体100においても維持されるので、板状単結晶体100が、互いに重なることなく、最密充填様に配列した金属酸化物薄膜600が得られる。   In addition, in the topological phase transition by heating in step S960, the morphology of the plate-like single crystal 400 and the arrangement on the base material 610 are maintained also in the plate-like single crystal 100, so that the plate-like single crystal The metal oxide thin film 600 in which the bodies 100 are arranged in a close-packed manner without overlapping each other is obtained.

ステップS960は、基材610とともに加熱するので、トポタクティックな相転移に加えて、基材610と金属酸化物薄膜600との密着性を向上させる効果もある。図9および図10の製造方法によれば、基材610と金属酸化物薄膜600とを密着させるさらなるアニール等を必要としないので、実用化に向けたプロセスの省略、製造コストの削減ができる。   Since step S960 is heated together with the base material 610, in addition to the topological phase transition, there is an effect of improving the adhesion between the base material 610 and the metal oxide thin film 600. According to the manufacturing method of FIG. 9 and FIG. 10, further annealing or the like for bringing the base material 610 and the metal oxide thin film 600 into close contact with each other is not necessary.

なお、ステップS950を複数回繰り返すことによって、板状単結晶体400が積層された金属水酸化物膜(図示せず)が得られる。このような金属水酸化物膜にステップS960を行えば、多層構造の金属酸化物薄膜(図示せず)を得ることができる。ステップS950の回数は、金属酸化物薄膜の所望の膜厚に応じて、任意である。   Note that by repeating step S950 a plurality of times, a metal hydroxide film (not shown) in which the plate-like single crystal body 400 is laminated is obtained. By performing step S960 on such a metal hydroxide film, a metal oxide thin film (not shown) having a multilayer structure can be obtained. The frequency | count of step S950 is arbitrary according to the desired film thickness of a metal oxide thin film.

以上、図9および図10を参照して説明したように、本発明の金属酸化物薄膜600は、M(OH)で表される金属水酸化物からなる板状単結晶体400の二次元異方性を利用して製造される。本発明の方法は、物理気相成長法または化学気相成長法に代表される、複雑、大規模かつ高価な装置を必要としないので、容易かつ安価に結晶性および配向性に優れた機能薄膜を提供できる。また、本発明の製造方法によれば、大きな容器さえ入手すれば、容易に大面積化も可能であるので、実用化に好適である。また、本発明の方法によれば、M(OH)からMOまたはMへのトポタクティックな相転移のための加熱によって、金属酸化物薄膜600と基材610との密着性が向上するため、さらなるアニールが不要となるため好ましい。 As described above with reference to FIGS. 9 and 10, the metal oxide thin film 600 of the present invention is a two-dimensional structure of the plate-like single crystal 400 made of a metal hydroxide represented by M (OH) 2. Manufactured using anisotropy. Since the method of the present invention does not require a complicated, large-scale and expensive apparatus represented by physical vapor deposition or chemical vapor deposition, a functional thin film having excellent crystallinity and orientation easily and inexpensively. Can provide. Further, according to the production method of the present invention, if a large container is obtained, the area can be easily increased, which is suitable for practical use. In addition, according to the method of the present invention, the adhesion between the metal oxide thin film 600 and the base material 610 is improved by heating for the topological phase transition from M (OH) 2 to MO or M 3 O 4 . In order to improve, further annealing is unnecessary, which is preferable.

なお、実施の形態2では、MOおよびMで表される金属酸化物からなる板状単結晶体を、それぞれ単独で用いた金属酸化物薄膜を詳述してきたが、MOおよびMを組み合わせても用いてもよい。 In the second embodiment, a metal oxide thin film using a plate-like single crystal composed of a metal oxide represented by MO and M 3 O 4 alone has been described in detail, but MO and M 3 O 4 may be used in combination.

(実施の形態3)
実施の形態3は、実施の形態1および2で説明した板状単結晶体100(図1)および金属酸化物薄膜600(図6)の用途について詳述する。
(Embodiment 3)
In the third embodiment, the use of the plate-like single crystal 100 (FIG. 1) and the metal oxide thin film 600 (FIG. 6) described in the first and second embodiments will be described in detail.

図11は、本発明による抵抗変化型素子を示す模式図である。   FIG. 11 is a schematic diagram showing a resistance variable element according to the present invention.

抵抗変化型素子1100は、第1の電極1110と、第1の電極1110上に位置する抵抗体1120と、抵抗体1120上に位置する第2の電極1130とを含む。図11では、第1の電極1110と第2の電極1130とにパルス電圧印加装置等の電源1140が接続されている様子を示す。   The resistance variable element 1100 includes a first electrode 1110, a resistor 1120 located on the first electrode 1110, and a second electrode 1130 located on the resistor 1120. FIG. 11 shows a state where a power source 1140 such as a pulse voltage application device is connected to the first electrode 1110 and the second electrode 1130.

第1の電極1110は、図11では、基材1150と基材1150上に位置する電極材料1160からなる。基材1150は、例えば、シリコン基板、ガラス基板、石英基板、プラスチック基板等であり得る。電極材料1160は、Ag、Au、Pt、Ru、RuO、Ir、IrO、TiO、TiN、TiAlN、Ta、TaN、導電性ポリマー等であり得る。図11のように、第1の電極1110が、基材1150と電極材料1160とから構成されれば、抵抗変化型素子1100の取扱が容易となる。なお、基材1150が、Ag、Au、Pt等の導電性金属材料からなる金属基板、あるいは、導電性ポリマーからなる有機基板である場合には、電極材料1160は不要である。 In FIG. 11, the first electrode 1110 includes a base material 1150 and an electrode material 1160 located on the base material 1150. The base material 1150 can be, for example, a silicon substrate, a glass substrate, a quartz substrate, a plastic substrate, or the like. The electrode material 1160 may be Ag, Au, Pt, Ru, RuO 2 , Ir, IrO 2 , TiO, TiN, TiAlN, Ta, TaN, a conductive polymer, or the like. As shown in FIG. 11, if the first electrode 1110 includes the base material 1150 and the electrode material 1160, the resistance variable element 1100 can be easily handled. Note that when the base material 1150 is a metal substrate made of a conductive metal material such as Ag, Au, or Pt, or an organic substrate made of a conductive polymer, the electrode material 1160 is unnecessary.

抵抗体1120は、実施の形態1で説明したMOまたはMで表される金属酸化物からなる板状単結晶体100(図1)である。板状単結晶体100の説明は省略する。 The resistor 1120 is the plate-like single crystal 100 (FIG. 1) made of the metal oxide represented by MO or M 3 O 4 described in Embodiment 1. A description of the plate-like single crystal body 100 is omitted.

第2の電極1130もまた、電極材料1160と同様に、Ag、Au、Pt、Ru、RuO、Ir、IrO、TiO、TiN、TiAlN、Ta、TaN、導電性ポリマー等であり得る。図11では、第2の電極1130は、抵抗体1120上に付与されるように示されるが、第2の電極1130として針状の電極材料を抵抗体1120と接触させてもよい。 Similarly to the electrode material 1160, the second electrode 1130 may be Ag, Au, Pt, Ru, RuO 2 , Ir, IrO 2 , TiO, TiN, TiAlN, Ta, TaN, a conductive polymer, or the like. In FIG. 11, the second electrode 1130 is shown to be provided on the resistor 1120, but a needle-like electrode material may be brought into contact with the resistor 1120 as the second electrode 1130.

抵抗体1120として単一の板状単結晶体100からなる抵抗変化型素子1100の製造方法は、例えば、図7および図9の製造方法において、ステップS740またはステップS940の表面圧の印加を省略すればよい。これにより、板状単結晶体100が第1の電極1100上に最密充填様に配列することなく、ランダムに配列するので、適切に切断することによって、抵抗変化型素子1100を得ることができる。   For example, in the manufacturing method of the resistance variable element 1100 including the single plate-like single crystal 100 as the resistor 1120, the application of the surface pressure in step S740 or step S940 is omitted in the manufacturing method of FIGS. That's fine. Thereby, since the plate-like single crystal bodies 100 are randomly arranged on the first electrode 1100 without being arranged in a close-packed manner, the resistance variable element 1100 can be obtained by appropriately cutting. .

図12は、本発明による別の抵抗変化型素子を示す模式図である。   FIG. 12 is a schematic diagram showing another variable resistance element according to the present invention.

抵抗変化型素子1200は、図11の抵抗変化型素子1100と同様に、第1の電極1110と、第1の電極1110上に位置する抵抗体1210と、抵抗体1210上に位置する第2の電極1130とを含む。図12では、第1の電極1110と第2の電極1130とにパルス電圧印加装置等の電源1140が接続されている様子を示す。   Similar to the resistance variable element 1100 of FIG. 11, the resistance variable element 1200 includes a first electrode 1110, a resistor 1210 positioned on the first electrode 1110, and a second electrode positioned on the resistor 1210. An electrode 1130. FIG. 12 shows a state where a power source 1140 such as a pulse voltage application device is connected to the first electrode 1110 and the second electrode 1130.

抵抗変化型素子1200は、図11の抵抗体1120に代えて、実施の形態2で説明したMOまたはMで表される金属酸化物からなる板状単結晶体100(図1)からなる金属酸化物薄膜600(図6)を抵抗体1210とした以外は、抵抗変化型素子1100と同様である。 A variable resistance element 1200 is obtained from the plate-like single crystal 100 (FIG. 1) made of the metal oxide represented by MO or M 3 O 4 described in Embodiment 2 instead of the resistor 1120 of FIG. This is the same as the resistance variable element 1100 except that the metal oxide thin film 600 (FIG. 6) is a resistor 1210.

次に、このような構成の抵抗変化型素子1100および1200の動作を説明する。   Next, the operation of the resistance variable elements 1100 and 1200 having such a configuration will be described.

図13は、本発明による抵抗変化型素子の動作を示す模式図である。   FIG. 13 is a schematic diagram showing the operation of the resistance variable element according to the present invention.

図13(A)は、本発明による板状単結晶体100および金属酸化物薄膜600における抵抗状態の変化を模式的に示す。図13(A)は、板状単結晶体100および金属酸化物薄膜600を電極で挟んだ状態である。図13(A)の左図に示すように、例えば、初期状態において、板状単結晶体100および金属酸化物薄膜600の電気抵抗(10Ω〜1014Ω)は極めて高く、絶縁体のような状態である。一方、図13(A)右図に示すように、板状単結晶体100および金属酸化物薄膜600に所定の電圧を印加すると、板状単結晶体100および金属酸化物薄膜600にフィラメントのような線状の導通パス1310が生成され、電気抵抗が小さくなる。 FIG. 13A schematically shows changes in the resistance state of the plate-like single crystal body 100 and the metal oxide thin film 600 according to the present invention. FIG. 13A shows a state where the plate-like single crystal body 100 and the metal oxide thin film 600 are sandwiched between electrodes. As shown in the left diagram of FIG. 13A, for example, in the initial state, the electric resistance (10 9 Ω to 10 14 Ω) of the plate-like single crystal body 100 and the metal oxide thin film 600 is extremely high, It is in such a state. On the other hand, when a predetermined voltage is applied to the plate-like single crystal body 100 and the metal oxide thin film 600 as shown in the right diagram of FIG. A linear conductive path 1310 is generated, and the electrical resistance is reduced.

図13(B)は、本発明による板状単結晶体100および金属酸化物薄膜600における電流と電圧との関係を模式的に示す。   FIG. 13B schematically shows a relationship between current and voltage in the plate-like single crystal body 100 and the metal oxide thin film 600 according to the present invention.

プロファイル(1)に示すように、板状単結晶体100および金属酸化物薄膜600の初期状態では電圧を印加しても実質的に電流が流れず、絶縁体のような状態である。しかしながら、電圧が所定の電圧(V)に達すると、導通パス1310が生成し、板状単結晶体100および金属酸化物薄膜600に急激に電流が流れ、低抵抗状態になる。このプロファイル(1)の動作をフォーミング動作という。 As shown in the profile (1), in the initial state of the plate-like single crystal body 100 and the metal oxide thin film 600, even when a voltage is applied, a current does not substantially flow, and the state is like an insulator. However, when the voltage reaches a predetermined voltage (V F ), a conduction path 1310 is generated, and a current rapidly flows through the plate-like single crystal body 100 and the metal oxide thin film 600, resulting in a low resistance state. This operation of profile (1) is called forming operation.

プロファイル(2)に示すように、フォーミング動作後の低抵抗状態にある板状単結晶体100および金属酸化物薄膜600に電圧を印加すると、電圧が所定の電圧(V)に達すると、板状単結晶体100および金属酸化物薄膜600中の導通パス1310が破断され、急激に電流が流れなくなり、高抵抗状態に戻る。したがって、高抵抗状態を情報「0」とすると、プロファイル(2)により、情報「0」が板状単結晶体100および金属酸化物薄膜600に記録されたことになる。一旦板状単結晶体100および金属酸化物薄膜600が高抵抗状態になると電圧を取り去っても高抵抗状態を維持する。すなわち、書き込まれた情報は不揮発性である。 As shown in the profile (2), when a voltage is applied to the plate-like single crystal body 100 and the metal oxide thin film 600 that are in a low resistance state after the forming operation, when the voltage reaches a predetermined voltage (V R ), the plate The conductive path 1310 in the single crystal body 100 and the metal oxide thin film 600 is broken, the current suddenly stops flowing, and the high resistance state is restored. Therefore, when the high resistance state is information “0”, information “0” is recorded in the plate-like single crystal body 100 and the metal oxide thin film 600 by the profile (2). Once the plate-like single crystal body 100 and the metal oxide thin film 600 are in a high resistance state, the high resistance state is maintained even if the voltage is removed. That is, the written information is non-volatile.

このプロファイル(2)の動作をリセット動作といい、リセット動作において流れる電流をリセット電流(I)という。ここで本発明の板状単結晶体100および金属酸化物薄膜600を用いた抵抗変化型素子のリセット電流Iは、1mA未満であり、動作速度を向上させるだけでなく、抵抗変化型素子の発熱を抑制できるので有利である。 The operation of the profile (2) is called a reset operation, and the current that flows in the reset operation is called a reset current (I R ). Here the reset current I R of the resistance variable element using the plate-shaped single crystal body 100 and the metal oxide thin film 600 of the present invention is less than 1 mA, not only improves the operation speed, the resistance variable element This is advantageous because heat generation can be suppressed.

プロファイル(3)に示すように、リセット動作後の高抵抗状態にある板状単結晶体100および金属酸化物薄膜600に電圧を印加すると、電圧が所定の電圧(V)に達すると、板状単結晶体100および金属酸化物薄膜600に再度導通パス1310が生成され、急激に電流が流れだし、低抵抗状態になる。したがって、低抵抗状態を情報「1」とすると、プロファイル(3)により、情報「1」が板状単結晶体100および金属酸化物薄膜600に記録されたことになる。一旦板状単結晶体100および金属酸化物薄膜600が低抵抗状態になると電圧を取り去っても低抵抗状態を維持する。すなわち、書き込まれた情報は不揮発性である。このプロファイル(3)の動作をセット動作という。 As shown in profile (3), when a voltage is applied to the plate-like single crystal body 100 and the metal oxide thin film 600 that are in a high resistance state after the reset operation, when the voltage reaches a predetermined voltage (V S ), the plate A conductive path 1310 is generated again in the single crystal body 100 and the metal oxide thin film 600, and a current starts to flow suddenly, resulting in a low resistance state. Therefore, when the low resistance state is information “1”, information “1” is recorded in the plate-like single crystal body 100 and the metal oxide thin film 600 by the profile (3). Once the plate-like single crystal body 100 and the metal oxide thin film 600 are in a low resistance state, the low resistance state is maintained even if the voltage is removed. That is, the written information is non-volatile. This operation of profile (3) is called a set operation.

このように、板状単結晶体100および金属酸化物薄膜600は、抵抗変化効果を有し、高抵抗状態と低抵抗状態とを繰り返しメモリ動作を実現する。   Thus, the plate-like single crystal body 100 and the metal oxide thin film 600 have a resistance change effect, and realize a memory operation by repeating a high resistance state and a low resistance state.

図14は、本発明の抵抗変化型素子のメモリ動作を示す模式図である。   FIG. 14 is a schematic diagram showing the memory operation of the resistance variable element of the present invention.

フォーミング動作後、抵抗変化型素子1100および1200は低抵抗状態にある。高抵抗状態を情報「0」とし、低抵抗状態を情報「1」とする。この情報「0」および「1」の割り当ては、任意である。   After the forming operation, the resistance variable elements 1100 and 1200 are in the low resistance state. The high resistance state is information “0”, and the low resistance state is information “1”. The assignment of the information “0” and “1” is arbitrary.

抵抗変化型素子1100、1200に情報「0」を記録する場合、電源1140により電圧パルスP(Pの電圧値はVに等しい)を印加する。これにより、抵抗変化型素子1100、1200の抵抗体1120、1210は、低抵抗状態から高抵抗状態へと変化する。この結果、抵抗変化型素子1100、1200には情報「0」が記録される(リセット動作)。 If you resistance variable element 1100 and 1200 record information "0", a voltage pulse is applied P R (voltage value of P R is equal to V R) by the power supply 1140. Thereby, the resistors 1120 and 1210 of the resistance variable elements 1100 and 1200 change from the low resistance state to the high resistance state. As a result, information “0” is recorded in the resistance variable elements 1100 and 1200 (reset operation).

抵抗変化型素子1100、1200に情報「1」を記録する場合、電源1140により電圧パルスP(Pの電圧値はVに等しい)を印加する。これにより、抵抗変化型素子1100、1200の抵抗体1120、1210は、高抵抗状態から低抵抗状態へと変化する。この結果、抵抗変化型素子1100、1200には情報「1」が記録される(セット動作)。 If you resistance variable element 1100 and 1200 record information "1", a voltage pulse is applied P S (voltage value of P S is equal to V S) by the power supply 1140. Thereby, the resistors 1120 and 1210 of the resistance variable elements 1100 and 1200 change from the high resistance state to the low resistance state. As a result, information “1” is recorded in the resistance variable elements 1100 and 1200 (set operation).

以降は、リセット動作とセット動作とを繰り返し行うことによってメモリ動作する。ここで、電圧パルスPとPとは、異なる方向の電圧であり、本発明の抵抗変化型素子1100および1200をバイポーラ型で動作させたが、ユニポーラ型で動作させてもよい。 Thereafter, the memory operation is performed by repeatedly performing the reset operation and the set operation. Here, the voltage pulse P R and P S, a direction different voltages, the resistance variable element 1100 and 1200 of the present invention has been operated at bipolar, it may be operated in a unipolar type.

次に、このような抵抗変化型素子1100、1200に記録された情報を読み出す場合には、電源1140を介して抵抗が変化しない電圧(<<V、V)を抵抗変化型素子1100、1200に印加すればよい。その際に抵抗変化型素子1100、1200に流れる電流は、抵抗体1120、1210の状態(高抵抗状態または低抵抗状態)に応じて異なるので、これらの電流値から容易に情報を読み出すことができる。 Next, when reading the information recorded in the resistance variable elements 1100 and 1200, voltages (<< V S , V R ) whose resistance does not change via the power source 1140 are changed to the resistance variable elements 1100, It may be applied to 1200. At this time, the current flowing through the resistance variable elements 1100 and 1200 varies depending on the state of the resistors 1120 and 1210 (high resistance state or low resistance state), and thus information can be easily read from these current values. .

さらに、本発明の抵抗変化型素子1100、1200は、電源を切っても抵抗体1120、1210の電気抵抗は変化しないので、不揮発性である。   Furthermore, the resistance variable elements 1100 and 1200 of the present invention are nonvolatile because the electrical resistance of the resistors 1120 and 1210 does not change even when the power is turned off.

次に具体的な実施例を用いて本発明を詳述するが、本発明がこれら実施例に限定されないことに留意されたい。   The present invention will now be described in detail using specific examples, but it should be noted that the present invention is not limited to these examples.

実施例1では、MがCoであるCo(OH)で表される金属水酸化物からなる板状単結晶体(以降では単にCo(OH)板状単結晶体と呼ぶ)を出発原料として、図9および図10の製造方法を用いて、CoOで表される金属酸化物からなる板状単結晶体からなる金属酸化物薄膜(以降では単にCoO膜と呼ぶ)を製造した。 In Example 1, a plate-like single crystal composed of a metal hydroxide represented by Co (OH) 2 in which M is Co (hereinafter simply referred to as a Co (OH) 2 plate-like single crystal) is used as a starting material. 9 and 10 were used to manufacture a metal oxide thin film (hereinafter simply referred to as a CoO film) made of a plate-like single crystal made of a metal oxide represented by CoO.

実施例1によるCoO膜の製造に先立って、Co(OH)板状単結晶体を製造した。 Prior to the production of the CoO film according to Example 1, a Co (OH) 2 plate-like single crystal was produced.

図15は、Co(OH)板状単結晶体を製造する様子を示す図である。 FIG. 15 is a diagram showing how a Co (OH) 2 plate-like single crystal is manufactured.

図15に示すように、非特許文献1を参照し、CoCl・6HOとヘキサメチレンテトラミン(HMT)とを含有する水溶液(CoCl・6HO濃度は5mMと7.5mMとであった)を還流する均一沈殿法によりCo(OH)板状単結晶体を製造した。 As shown in FIG. 15, referring to Non-Patent Document 1, an aqueous solution containing CoCl 2 · 6H 2 O and hexamethylenetetramine (HMT) (CoCl 2 · 6H 2 O concentration was 5 mM and 7.5 mM). Co (OH) 2 plate-like single crystal was produced by a uniform precipitation method in which the solution was refluxed.

このようにして得られた生成物がCo(OH)板状単結晶体であることを観察および構造解析により確認した。具体的には、生成物の外観等を、デジタルカメラ、走査型電子顕微鏡SEM(Keyence VE8800)および透過型電子顕微鏡TEM(JEOL JEM−3100F)を用いて観察した。また、TEMを用いた電子回折パターン、および、粉末X線回折装置(Rigaku RINT−2200、モノクロメータで単色化したCuKα線(λ=0.15405nm))を用いたX線回折パターンにより、生成物の構造解析をした。これらの結果を図16〜図18に示す。図16〜図17は、CoCl・6HO濃度が5mMの水溶液から製造された生成物の結果を示す。 It was confirmed by observation and structural analysis that the product thus obtained was a Co (OH) 2 plate-like single crystal. Specifically, the appearance and the like of the product were observed using a digital camera, a scanning electron microscope SEM (Keyence VE8800), and a transmission electron microscope TEM (JEOL JEM-3100F). Moreover, the product was obtained by an electron diffraction pattern using TEM and an X-ray diffraction pattern using a powder X-ray diffractometer (Rigaku RINT-2200, CuKα ray (λ = 0.15405 nm) monochromatized by a monochromator). The structural analysis of These results are shown in FIGS. FIGS. 16-17 show the results for products made from aqueous solutions with a CoCl 2 .6H 2 O concentration of 5 mM.

図16は、実施例1によるCo(OH)板状単結晶体の外観(A)とSEM像(B)とを示す図である。 FIG. 16 is a diagram showing an appearance (A) and an SEM image (B) of the Co (OH) 2 plate-like single crystal according to Example 1.

図16(A)によれば、均一沈殿法によって得られた生成物は、乳白色を帯びたピンク色であった。図16(B)によれば、生成物が六角形状であり、その横サイズLが約4μmであることを確認した。厚さサイズは約30nmであり、アスペクト比が約111であった。   According to FIG. 16 (A), the product obtained by the homogeneous precipitation method was milky pink. According to FIG. 16 (B), it was confirmed that the product was hexagonal and the lateral size L was about 4 μm. The thickness size was about 30 nm and the aspect ratio was about 111.

図17は、実施例1によるCo(OH)板状単結晶体のTEM像(A)と電子回折パターン(B)とを示す図である。 FIG. 17 is a diagram showing a TEM image (A) and an electron diffraction pattern (B) of a Co (OH) 2 plate-like single crystal according to Example 1.

図17(A)によれば、図16(B)と同様に、生成物が六角形状を有することが分かった。図17(B)は、完璧な六角形に並ぶ回折スポットを示し、二次元の面内回折として(100)、(110)および(010)に指数付けでき、[001]方向に沿って得られた電子回折パターンであることが分かった。   According to FIG. 17A, it was found that the product had a hexagonal shape as in FIG. FIG. 17B shows perfect hexagonal diffraction spots that can be indexed as (100), (110) and (010) as two-dimensional in-plane diffraction, and are obtained along the [001] direction. It was found to be an electron diffraction pattern.

図18は、実施例1によるCo(OH)板状単結晶体のX線回折パターンを示す図である。 18 is a diagram showing an X-ray diffraction pattern of the Co (OH) 2 plate-like single crystal according to Example 1. FIG.

回折ピークは、いずれも、ブルーサイト型Co(OH)(空間群P ̄3m1)に指数付けされ(JCPDSカードNo.74−1057)、それ以外の回折ピークは見られなかった。 All diffraction peaks were indexed to brucite-type Co (OH) 2 (space group P 3 m1) (JCPDS card No. 74-1057), and no other diffraction peaks were observed.

なお図示しないが、CoCl・6HO濃度が7.5mMの水溶液から製造されたCo(OH)板状単結晶体は、横サイズが2μmであった以外は、図16〜18と同様であった。 Although not shown, the Co (OH) 2 plate single crystal produced from an aqueous solution having a CoCl 2 .6H 2 O concentration of 7.5 mM is the same as FIGS. 16 to 18 except that the lateral size is 2 μm. Met.

以上、図16〜図18より、得られた乳白色を帯びたピンク色の生成物が、Co(OH)で表される金属水酸化物からなる板状単結晶体であることを確認した。 As described above, it was confirmed from FIGS. 16 to 18 that the obtained milky white pink product was a plate-like single crystal composed of a metal hydroxide represented by Co (OH) 2 .

このようにして得られたCo(OH)板状単結晶体(横サイズ4μm、2μm)を重力沈降および遠心分離(500rpm、10分)を7〜10回繰り返し行い、横サイズの単分散性を向上させた。 The Co (OH) 2 plate-like single crystal thus obtained (horizontal size 4 μm, 2 μm) was subjected to gravity sedimentation and centrifugation (500 rpm, 10 minutes) 7 to 10 times, and the horizontal size monodispersity Improved.

次に、Co(OH)板状単結晶体を用いて、本発明のCoO膜を基材上に製造した。基材には、(100)Si基板、石英基板および導電性Pt基板を用いた。Si基板および石英基板を、HCl/CHOH溶液(1:1)、次いで、濃HSOにそれぞれ30分間浸漬させ、洗浄した。Pt基板は、接着Ti層を付与した熱酸化Si基板上にPtを蒸着することによって得た。Pt基板を、オゾン雰囲気中、UV光を照射することにより、光化学的に洗浄した。 Next, the CoO film | membrane of this invention was manufactured on the base material using Co (OH) 2 plate-like single crystal. As the base material, a (100) Si substrate, a quartz substrate, and a conductive Pt substrate were used. The Si substrate and the quartz substrate were each immersed in a HCl / CH 3 OH solution (1: 1) and then concentrated H 2 SO 4 for 30 minutes and washed. The Pt substrate was obtained by evaporating Pt on a thermally oxidized Si substrate provided with an adhesive Ti layer. The Pt substrate was photochemically cleaned by irradiating UV light in an ozone atmosphere.

下水相として水(ミリQ水、80cm)が入ったラングミュアトラフ(Filgen、LB40−KBC)に、単分散性を向上させたCo(OH)板状単結晶体(80mg)を分散させ、分散液を得た(図10(A))。なお、ラングミュアトラフは、テフロン(登録商標)コーティングされており表面圧を測定するためのウィルヘルミーバランスを備えている。ラングミュアトラフの有効トラフ表面積、および、トラフ容積は、それぞれ、24.3×5cm、および、100cmであった。 In Langmuir trough (Filgen, LB40-KBC) containing water (Milli-Q water, 80 cm 3 ) as a sewage phase, Co (OH) 2 plate-like single crystal (80 mg) with improved monodispersibility is dispersed, A dispersion was obtained (FIG. 10A). Langmuir Traf is coated with Teflon (registered trademark) and has a Wilhelmy balance for measuring surface pressure. The effective trough surface area and trough volume of Langmuir Traf were 24.3 × 5 cm 2 and 100 cm 3 , respectively.

次いで、第1の溶媒としてヘキサン(8cm)を分散液に添加し、水とヘキサン(第1の溶媒)との界面を形成した(図9のステップS910および図10(B))。 Next, hexane (8 cm 3 ) was added as a first solvent to the dispersion to form an interface between water and hexane (first solvent) (step S910 in FIG. 9 and FIG. 10B).

シリンジポンプ(Harvard Apparatus、MA170−228)で操作させたハミルトンシリンジを用いて、第2の溶媒としてブタノール(1.5cm)を、0.1cm/分の速度で界面にゆっくり添加した(図9のステップS920および図10(C))。ブタノール添加前の分散液中のCo(OH)板状単結晶体は、界面に対して90°を下回る接触角を有していたが、ブタノール添加後、Co(OH)板状単結晶体は、表面エネルギーの変化により界面に対して90°の接触角を有した。これにより、下水相に分散していたCo(OH)板状単結晶体が、ただちに、水とヘキサンとの界面にトラップされ、連続する膜(トラップされたCo(OH)板状単結晶体、または、単にCo(OH)膜と呼ぶ)が形成されることを確認した。 Using a Hamilton syringe operated with a syringe pump (Harvar Apparatus, MA 170-228), butanol (1.5 cm 3 ) as a second solvent was slowly added to the interface at a rate of 0.1 cm 3 / min (FIG. 9 step S920 and FIG. 10 (C)). The Co (OH) 2 plate-like single crystal in the dispersion before the butanol addition had a contact angle of less than 90 ° with respect to the interface, but after the butanol addition, the Co (OH) 2 plate-like single crystal The body had a contact angle of 90 ° to the interface due to changes in surface energy. As a result, the Co (OH) 2 plate-like single crystal dispersed in the sewage phase is immediately trapped at the interface between water and hexane, and a continuous film (trapped Co (OH) 2 plate-like single crystal is obtained. Or a simple Co (OH) 2 film).

ヘキサン(第1の溶媒)を蒸発により除去した(図9のステップS930および図10(D))。続いて、トラップされたCo(OH)板状単結晶体(Co(OH)膜)に表面圧を印加した(図9のステップS940および図10(E))。Co(OH)膜の表面圧が、15mNm−1になるまで3mm/分で印加された。 Hexane (first solvent) was removed by evaporation (step S930 in FIG. 9 and FIG. 10D). Subsequently, a surface pressure was applied to the trapped Co (OH) 2 plate-like single crystal (Co (OH) 2 film) (step S940 in FIG. 9 and FIG. 10E). The Co (OH) 2 film was applied at 3 mm / min until the surface pressure of the film was 15 mNm −1 .

図19は、トラップされたCo(OH)板状単結晶体の表面圧−表面積(π−A)曲線を示す図である。 FIG. 19 is a diagram showing a surface pressure-surface area (π-A) curve of a trapped Co (OH) 2 plate-like single crystal.

図19は、15mNm−1の一定表面圧下における膜が基材に転写される挙動を示す。図19の横軸は、表面圧を印加する前かつ膜が基材に転写される前の面積に対する表面の割合を示す。 FIG. 19 shows the behavior of a film transferred to a substrate under a constant surface pressure of 15 mNm- 1 . The horizontal axis of FIG. 19 shows the ratio of the surface to the area before the surface pressure is applied and before the film is transferred to the substrate.

次いで、分散液に基材(Si基板、石英基板、導電性Pt基板)を浸漬させ、垂直引上法(引上速度3mm/分)により、トラップされたCo(OH)板状単結晶体(Co(OH)膜)を基材に転写した(図9のステップS950および図10(E))。この際、表面圧は15mNm−1に維持した。このようにして各基板上にトラップされたCo(OH)板状単結晶体(Co(OH)膜)を得た。簡単のため、以降では、Si基板上のCo(OH)膜、石英基板上のCo(OH)膜、および、Pt基板上のCo(OH)膜を、それぞれ、Co(OH)膜/Si、Co(OH)膜/石英、および、Co(OH)膜/Ptと称する。 Next, a base material (Si substrate, quartz substrate, conductive Pt substrate) is immersed in the dispersion, and trapped Co (OH) 2 plate-like single crystal by a vertical pulling method (pulling speed 3 mm / min) (Co (OH) 2 film) was transferred to the substrate (step S950 in FIG. 9 and FIG. 10E). At this time, the surface pressure was maintained at 15 mNm- 1 . Thus, a Co (OH) 2 plate-like single crystal (Co (OH) 2 film) trapped on each substrate was obtained. For simplicity, in the following, Co (OH) 2 film on the Si substrate, Co (OH) 2 film on the quartz substrate, and a Co (OH) 2 film on Pt substrate, respectively, Co (OH) 2 Film / Si, Co (OH) 2 film / quartz, and Co (OH) 2 film / Pt.

Co(OH)膜/Siについて膜の断面および表面をデジタルカメラおよびSEMで観察した。観察結果を図20〜図22に示す。Co(OH)膜/Si、Co(OH)膜/石英、および、Co(OH)膜/PtについてX線回折パターンを測定した。測定結果を図23に示す。 The cross section and surface of the Co (OH) 2 film / Si were observed with a digital camera and SEM. The observation results are shown in FIGS. X-ray diffraction patterns were measured for Co (OH) 2 film / Si, Co (OH) 2 film / quartz, and Co (OH) 2 film / Pt. The measurement results are shown in FIG.

Co(OH)膜/Si、Co(OH)膜/石英、および、Co(OH)膜/Ptを、赤外線イメージ炉(MILA−3000)を用いて真空中、600℃、10分加熱し、Co(OH)をCoOに相転移させた(図9のステップS960、図3のステップS310)。 Co (OH) 2 film / Si, Co (OH) 2 film / quartz, and Co (OH) 2 film / Pt are heated in vacuum at 600 ° C. for 10 minutes using an infrared image furnace (MILA-3000). Then, Co (OH) 2 was phase-shifted to CoO (step S960 in FIG. 9 and step S310 in FIG. 3).

加熱後のCo(OH)膜/Siについて、X線回折パターンを測定し、SEMによる表面観察を行った。結果を図24および図25に示す。加熱後のCo(OH)膜/石英について、分光光度計(Hitachi、U−4100)を用いてUV−vis吸収スペクトルを測定した。測定結果を図26に示す。また、UV−vis吸収スペクトルから光学的バンドギャップを算出した。結果を図27に示す。 The X-ray diffraction pattern was measured for the Co (OH) 2 film / Si after heating, and the surface was observed by SEM. The results are shown in FIGS. 24 and 25. The UV-vis absorption spectrum of the Co (OH) 2 film / quartz after heating was measured using a spectrophotometer (Hitachi, U-4100). The measurement results are shown in FIG. Further, the optical band gap was calculated from the UV-vis absorption spectrum. The results are shown in FIG.

図20〜図27の結果について詳述する。   The results of FIGS. 20 to 27 will be described in detail.

図20は、実施例1によるCo(OH)膜/Siの膜の断面のデジタルカメラ画像(A)およびSEM像(B)を示す図である。 20 is a diagram showing a digital camera image (A) and an SEM image (B) of a cross section of a Co (OH) 2 film / Si film according to Example 1. FIG.

図20の試料は、横サイズ4μmのCo(OH)板状単結晶体を用いたCo(OH)膜である。図20(A)および(B)によれば、Si基板上にCo(OH)板状単結晶体からなる連続した膜が得られたことが分かった。その膜厚は、Co(OH)板状単結晶体の厚さサイズを反映し、約30nmであった。図示しないが、横サイズ2μmのCo(OH)板状単結晶体を用いた場合も同様の結果であった。

Samples of FIG. 20 is a Co (OH) 2 film using Co (OH) 2 platelike single crystal of horizontal size 4 [mu] m. 20A and 20B, it was found that a continuous film made of a Co (OH) 2 plate-like single crystal was obtained on a Si substrate. The film thickness was about 30 nm, reflecting the thickness size of the Co (OH) 2 plate-like single crystal. Although not shown, even when using the Co (OH) 2 platelike single crystal of lateral size 2.mu. m with similar results.

図21は、実施例1によるCo(OH)膜/Siの膜の表面のSEM像を示す図である。
図22は、実施例1による別のCo(OH)膜/Siの膜の表面のSEM像を示す図である。
FIG. 21 is a diagram showing an SEM image of the surface of the Co (OH) 2 film / Si film according to Example 1. FIG.
22 is a view showing an SEM image of the surface of another Co (OH) 2 film / Si film according to Example 1. FIG.

図21および図22の試料は、それぞれ、横サイズ4μmおよび2μmのCo(OH)板状単結晶体を用いたCo(OH)膜である。図21および図22によれば、いずれも、Co(OH)板状単結晶体の横サイズに関わらず、六角形状のCo(OH)板状単結晶体は、その平面がSi基板の表面と平行になるように位置していた。詳細には、Co(OH)板状単結晶体のエッジ同士が接触するように、すなわち、Co(OH)板状単結晶体の平面方向に最密充填様に配列していることが分かった。 The samples of FIGS. 21 and 22 are Co (OH) 2 films using Co (OH) 2 plate-like single crystals with lateral sizes of 4 μm and 2 μm, respectively. According to FIGS. 21 and 22, either, regardless of the horizontal size of the Co (OH) 2 platelike single crystals, hexagonal Co (OH) 2 platelike single crystal, the plane of the Si substrate It was located parallel to the surface. Specifically, the Co (OH) 2 plate-like single crystals may be arranged so as to be in contact with each other, that is, in a close packing manner in the plane direction of the Co (OH) 2 plate-like single crystals. I understood.

図23は、実施例1によるCo(OH)膜/Pt(a)、Co(OH)膜/Si(b)およびCo(OH)膜/石英(c)の膜のXRDパターンを示す図である。 FIG. 23 shows XRD patterns of Co (OH) 2 film / Pt (a), Co (OH) 2 film / Si (b), and Co (OH) 2 film / quartz (c) film according to Example 1. FIG.

図23(a)〜(c)のいずれも、基板からの回折ピーク(Pt(111)およびSi(400))を除くすべての回折ピークが、ブルーサイトCo(OH)(JCPDS74−1057)に指数付けされる底面反射系列00l(l=1、2、3)に一致した。面間隔は4.6Åであった。図17で示すCo(OH)板状単結晶体の粉末X線回折パターンに見られた、面内反射(例えば、(100)、(110))は、図23(a)〜(c)のXRDパターンには一切見られなかった。 In all of FIGS. 23A to 23C, all the diffraction peaks except the diffraction peaks from the substrate (Pt (111) and Si (400)) are in Brusite Co (OH) 2 (JCPDS74-1057). Consistent with the indexed bottom reflection series 00l (l = 1, 2, 3). The face spacing was 4.6 mm. In-plane reflection (for example, (100), (110)) seen in the powder X-ray diffraction pattern of the Co (OH) 2 plate-like single crystal shown in FIG. 17 is shown in FIGS. No XRD pattern was found.

ブルーサイト型水酸化物において、6個のヒドロキシル基が配位したCoイオンからなる八面体ユニットは、稜を共有し、無限に広がった電荷中性層を形成する。   In a brucite-type hydroxide, octahedral units composed of Co ions coordinated with six hydroxyl groups share a ridge and form an infinitely spread charge neutral layer.

以上の図20〜図23より、Co(OH)板状単結晶体の横サイズあるいは基材の種類に関わらず、Co(OH)板状単結晶体が平面方向に最密充填様に配列し、かつ、Co(OH)板状単結晶体のそれぞれが[001]方向に配向した、Co(OH)膜(膜は[001]に完全に配向している)が得られたことが確認された。 From these FIGS. 20 23, regardless of the horizontal size or substrates of the Co (OH) 2 platelike single crystal, the Co (OH) 2 platelike single crystal body is close-packed like in the planar direction A Co (OH) 2 film (the film is completely oriented in [001]) in which each of the Co (OH) 2 plate-like single crystals was aligned in the [001] direction was obtained. It was confirmed.

図24は、実施例1による、Co(OH)膜/Si(a)およびCoO膜/Si(b)の膜のXRDパターンを示す図である。 FIG. 24 is a diagram showing XRD patterns of Co (OH) 2 film / Si (a) and CoO film / Si (b) films according to Example 1. FIG.

図24(a)は、図23(b)と同一である。図24(a)と(b)とを比較すると、真空中、600℃、10分の加熱により、XRDパターンは劇的な変化をした。図24(b)のXRDパターンによれば、図24(a)の回折ピークはすべて消失し、異なる位置に2つの回折ピークのみを示した。   FIG. 24A is the same as FIG. Comparing FIGS. 24A and 24B, the XRD pattern changed dramatically by heating at 600 ° C. for 10 minutes in a vacuum. According to the XRD pattern of FIG. 24B, all the diffraction peaks of FIG. 24A disappeared, and only two diffraction peaks were shown at different positions.

これら2つの回折ピークは、岩塩型コバルト酸化物I(CoO、JCPDS75−0418)の(111)および(222)反射に指数付されることが分かった。この結果は、[001]配向したCo(OH)膜/Siが、上記加熱により、[111]完全配向したCoO膜/Siに相転移したことを示す。なお、図示しないが、加熱したCo(OH)膜/石英およびCo(OH)膜/Ptにおいても、同様のXRDパターンが得られた。 These two diffraction peaks were found to be indexed to the (111) and (222) reflections of rock salt type cobalt oxide I (CoO, JCPDS 75-0418). This result indicates that the [001] oriented Co (OH) 2 film / Si has undergone a phase transition to the [111] fully oriented CoO film / Si by the heating. Although not shown, similar XRD patterns were obtained for the heated Co (OH) 2 film / quartz and Co (OH) 2 film / Pt.

図25は、実施例1によるCoO膜/Siの膜の表面のSEM像を示す図である。   25 is a view showing an SEM image of the surface of the CoO film / Si film according to Example 1. FIG.

図25の試料は、横サイズ2μmのCo(OH)板状単結晶体を用いたCo(OH)膜を加熱した試料である。図25によれば、横サイズ2μmおよび厚さ30nmである六角形状の板状単結晶体の平面がSi基板の表面と平行になるように位置していた。図24より試料全体がCoOであることが分かっているので、この六角形状の板状単結晶体はCoOで表される金属酸化物からなる板状単結晶体(CoO板状単結晶体と呼ぶ)である。図25によれば、加熱したCo(OH)膜/Siは、Si基板上に、CoO板状単結晶体のエッジ同士が接触するように、すなわち、CoO板状単結晶体がその平面方向に最密充填様に配列していることが分かった。 Samples of FIG. 25 is a Co (OH) 2 film was heated sample using Co (OH) 2 platelike single crystal of horizontal size 2 [mu] m. According to FIG. 25, the plane of the hexagonal plate-shaped single crystal having a lateral size of 2 μm and a thickness of 30 nm was positioned so as to be parallel to the surface of the Si substrate. Since it is known from FIG. 24 that the entire sample is CoO, this hexagonal plate-like single crystal is called a plate-like single crystal made of a metal oxide represented by CoO (called a CoO plate-like single crystal). ). According to FIG. 25, the heated Co (OH) 2 film / Si is such that the edges of the CoO plate-like single crystal are in contact with each other on the Si substrate, that is, the CoO plate-like single crystal is in the plane direction. It was found that they were arranged in a close packed manner.

図21と図25とを比較すると、上記加熱によっても、出発原料に用いたCo(OH)板状単結晶体のサイズ、モルフォロジ、ならびに、その最密充填様の配列が維持されることが確認された。なお、図示しないが、加熱したCo(OH)膜/石英およびCo(OH)膜/Ptにおいても、同様であった。 When FIG. 21 is compared with FIG. 25, it can be seen that the size, morphology, and close-packed arrangement of the Co (OH) 2 plate-like single crystal used as the starting material are maintained by the heating. confirmed. Although not shown, the same applies to the heated Co (OH) 2 film / quartz and Co (OH) 2 film / Pt.

簡単のため、Co(OH)膜/Si、Co(OH)膜/石英、および、Co(OH)膜/Ptを加熱して相転移した試料を、それぞれ、CoO膜/Si、CoO膜/石英、および、CoO膜/Ptと称する。 For the sake of simplicity, Co (OH) 2 film / Si, Co (OH) 2 film / quartz, and Co (OH) 2 film / Pt are heated and phase transition samples are respectively obtained as CoO film / Si and CoO. Film / quartz and CoO film / Pt.

以上図24および図25より、図3のステップS310および図9のステップS960の加熱により、M(OH)がMOにトポタクティックに相転移されることが示された。また、図9の製造方法を用いれば、MOで表される金属酸化物からなる板状単結晶体が、その平面方向に最密充填様に配列し、[111]完全配向した金属酸化物薄膜が得られることが示された。 24 and 25, it was shown that M (OH) 2 is phase-changed topologically to MO by heating in step S310 in FIG. 3 and step S960 in FIG. Further, if the manufacturing method of FIG. 9 is used, a plate-like single crystal made of a metal oxide represented by MO is arranged in a close-packed manner in the plane direction, and a [111] fully oriented metal oxide thin film. Was shown to be obtained.

図26は、実施例1によるCoO膜/石英のUV−vis吸収スペクトルを示す図である。
図27は、実施例1によるCoO膜/石英の光学バンドギャップを示す図である。
FIG. 26 is a view showing a UV-vis absorption spectrum of the CoO film / quartz according to Example 1.
FIG. 27 is a diagram showing the optical band gap of the CoO film / quartz according to Example 1. FIG.

バンドギャップEgは次式から算出できる。
αhν=A(hν―Eg)
ここで、αは吸収係数であり、hνは光子エネルギーであり、Aは材料固有の定数であり、nは2(間接遷移の場合)または1/2(許容直接遷移の場合)である。(αhν)1/nをhν(eV)に対してプロットすると、図27に示されるように、直線部分が得られる。
The band gap Eg can be calculated from the following equation.
αhν = A (hν−Eg) n
Here, α is an absorption coefficient, hν is photon energy, A is a material-specific constant, and n is 2 (in the case of indirect transition) or 1/2 (in the case of allowable direct transition). When (αhν) 1 / n is plotted against hν (eV), a straight line portion is obtained as shown in FIG.

図27に示されるように、n=1/2の場合にもっともよく直線部分にフィットした。したがって、CoO膜が許容直接遷移であることが分かった。直線部分を(αhν)=0まで掃引することにより、CoO膜の光学バンドギャップは2.6eVと算出された。この値は、モット型絶縁体として報告されているCoOのそれ(約2.5±0.3eV)によく一致した。 As shown in FIG. 27, when n = 1/2, the straight line portion was fitted best. Therefore, it was found that the CoO film is an allowable direct transition. By sweeping the straight line portion to (αhν) 2 = 0, the optical band gap of the CoO film was calculated to be 2.6 eV. This value agreed well with that of CoO reported as a Mott insulator (about 2.5 ± 0.3 eV).

以上、図26および図27より、図3のステップS310および図9のステップS960の加熱により得られたMOは、初期状態において絶縁体であることが示された。また、図9の製造方法を用いれば、MOで表される金属酸化物からなる板状単結晶体が、その平面方向に最密充填様に配列し、[111]完全配向し、絶縁性に優れた金属酸化物薄膜が得られることが示された。   As described above, FIG. 26 and FIG. 27 show that the MO obtained by heating in step S310 in FIG. 3 and step S960 in FIG. 9 is an insulator in the initial state. Further, if the manufacturing method of FIG. 9 is used, the plate-like single crystals made of the metal oxide represented by MO are arranged in a close-packed manner in the plane direction, and [111] is perfectly oriented, making it insulative. It was shown that an excellent metal oxide thin film can be obtained.

実施例2では、実施例1で得たCoO膜/Pt基板を用いて、抵抗変化型素子を製造した。抵抗変化型素子の模式図を図28に示す。   In Example 2, the variable resistance element was manufactured using the CoO film / Pt substrate obtained in Example 1. A schematic diagram of the resistance variable element is shown in FIG.

図28は、実施例2による抵抗変化型素子の模式図である。   FIG. 28 is a schematic diagram of a resistance variable element according to Example 2.

抵抗変化型素子2800は、第1の電極1110と、第1の電極1110上に置する抵抗体1210と、抵抗体1210上に位置する第2の電極1130とを含む。ここで、第1の電極1110は、接着Ti層を付与した熱酸化Si基板上にPtを蒸着することによって得た、上述のPt基板である。抵抗体1210は、図9の製造方法を用いてPt基板上に製造したCoO膜(出発原料に用いたCo(OH)板状単結晶体の横サイズは2μmであった)である。抵抗体1210上に第2の電極1130としてTaまたはPt金属を、シャドウマスク(Φ=100μm)を用いて蒸着した。このような抵抗変化型素子2800を電源1140としてパルス電圧印加装置に接続した。 The resistance variable element 2800 includes a first electrode 1110, a resistor 1210 placed on the first electrode 1110, and a second electrode 1130 located on the resistor 1210. Here, the first electrode 1110 is the above-described Pt substrate obtained by vapor-depositing Pt on a thermally oxidized Si substrate provided with an adhesive Ti layer. The resistor 1210 is a CoO film manufactured on the Pt substrate using the manufacturing method of FIG. 9 (the lateral size of the Co (OH) 2 plate-like single crystal used as the starting material was 2 μm). Ta or Pt metal was deposited on the resistor 1210 as the second electrode 1130 using a shadow mask (Φ = 100 μm). Such a resistance variable element 2800 was connected as a power source 1140 to a pulse voltage application device.

抵抗変化型素子2800をSEMで観察し、パルスジェネレータを備えた半導体パラメータアナライザ(Keithley、4200−SCS)を用いて電気特性を測定した。結果を図29〜図31に示す。   The resistance variable element 2800 was observed with an SEM, and electrical characteristics were measured using a semiconductor parameter analyzer (Keithley, 4200-SCS) equipped with a pulse generator. The results are shown in FIGS.

図29は、実施例2による抵抗変化型素子のSEM像を示す図である。   FIG. 29 is a view showing an SEM image of the resistance variable element according to Example 2. FIG.

図29においてコントラストが明るく示される円形部分が、第2の電極1130として蒸着したTa(Pt)金属であることを確認した。なお、第2の電極1130の径Φが100μmであることから、第2の電極1130は、CoO膜中の数百個のCoO板状単結晶体を覆っていることになる。   In FIG. 29, it was confirmed that a circular portion with a bright contrast was Ta (Pt) metal deposited as the second electrode 1130. Since the diameter Φ of the second electrode 1130 is 100 μm, the second electrode 1130 covers several hundreds of CoO plate-like single crystals in the CoO film.

図30は、実施例2による抵抗変化型素子のスイッチング特性(I−V)を示す図である。   FIG. 30 is a diagram illustrating the switching characteristics (IV) of the resistance variable element according to Example 2.

第1の電極1110と第2の電極1130との間に電源1140を接続し、Wプローブを用いて、電気特性(I−V)を測定した。抵抗変化型素子2800に0Vから5Vまで電圧を印加し(プロファイルa)、次いで、0Vから1.5Vまで電圧を印加し(プロファイルb)、再度、0Vから3Vまで電圧を印加した(プロファイルc)際の電流変化を調べた。   A power source 1140 was connected between the first electrode 1110 and the second electrode 1130, and electrical characteristics (IV) were measured using a W probe. A voltage was applied from 0 V to 5 V to the resistance variable element 2800 (profile a), then a voltage was applied from 0 V to 1.5 V (profile b), and a voltage was applied again from 0 V to 3 V (profile c). The current change at the time was examined.

図30において、CoO膜は、初期状態(プロファイルaの低電圧側)において1013Ω以上の高抵抗を有することが分かった。CoO膜がこのような高抵抗を有することから、CoO膜には、CoO板状単結晶体の配列に起因した明確なリークパスは存在せず、膜全体に均一な特性を有することが分かった。プロファイルaによれば、0Vから約4.5Vまで電圧を増大すると、抵抗変化型素子2800は、高抵抗状態から低抵抗状態に突然抵抗変化を示した。低抵抗状態におけるCoO膜の電気抵抗は、約1×10Ωであった。この挙動からプロファイルaがフォーミング動作であることを確認した。 In FIG. 30, the CoO film was found to have a high resistance of 10 13 Ω or more in the initial state (the low voltage side of profile a). Since the CoO film has such a high resistance, it has been found that the CoO film does not have a clear leak path due to the arrangement of the CoO plate-like single crystals, and has uniform characteristics throughout the film. According to profile a, when the voltage was increased from 0 V to about 4.5 V, the resistance variable element 2800 showed a sudden resistance change from the high resistance state to the low resistance state. The electrical resistance of the CoO film in the low resistance state was about 1 × 10 7 Ω. From this behavior, it was confirmed that profile a was a forming operation.

プロファイルbによれば、0Vから1.0Vまで電圧を増大すると、抵抗変化型素子2800は、低抵抗状態から高抵抗状態に再度抵抗変化を示した。この挙動からプロファイルbがリセット動作であることを確認した。ここでリセット電流は、数10−4Aであり1mA未満であった。このような低いリセット電流は、抵抗変化型素子の動作速度を向上させるだけでなく、抵抗変化型素子の発熱を抑制できるので有利である。 According to the profile b, when the voltage was increased from 0 V to 1.0 V, the resistance variable element 2800 again showed a resistance change from the low resistance state to the high resistance state. From this behavior, it was confirmed that profile b was a reset operation. Here, the reset current was several 10 −4 A and less than 1 mA. Such a low reset current is advantageous because it not only improves the operation speed of the resistance variable element but also suppresses heat generation of the resistance variable element.

プロファイルcによれば、0Vから約2Vまで電圧を増大すると、抵抗変化型素子2800は、高抵抗状態から低抵抗状態に再度抵抗変化を示した。この挙動からプロファイルcがセット動作であることを確認した。   According to the profile c, when the voltage was increased from 0 V to about 2 V, the resistance variable element 2800 again showed a resistance change from the high resistance state to the low resistance state. From this behavior, it was confirmed that the profile c was a set operation.

高抵抗状態と低抵抗状態との間の抵抗のウィンドウ(RHRS/RLRS)は、約1×10であり、既存の物理的気相成長法で製造したCoO膜を用いたそれを超える、あるいは、匹敵する性能を持つことが分かった。したがって、本発明の製造方法によって得られたMO膜を抵抗変化型素子に適用すれば、広いウィンドウにより情報(「1」または「0」)を確実に区別できる。 The resistance window between the high resistance state and the low resistance state (R HRS / R LRS ) is about 1 × 10 3 , which exceeds that using CoO films manufactured by existing physical vapor deposition methods. Or it was found to have comparable performance. Therefore, when the MO film obtained by the manufacturing method of the present invention is applied to a resistance variable element, information (“1” or “0”) can be reliably distinguished by a wide window.

以上のプロファイルa〜cにより、本発明によるMOで表される金属酸化物薄膜は、フォーミング動作またはセット動作により金属酸化物薄膜中に局所的な導電性フィラメントが形成され、リセット動作により形成された導電性フィラメントが破断される、既存の二元系酸化物と同じメカニズムの抵抗変化効果を有することが分かった。しかしながら、本発明の金属酸化物薄膜は、MOで表される金属酸化物の板状単結晶体が所定の配列をした薄膜であるため、既存物理的気相成長法で得られる二元系酸化物と異なり、極めて低いリセット電流(1<mA)でリセット可能であり、まったく新しい特性を発揮することが確認された。   From the above profiles a to c, the metal oxide thin film represented by MO according to the present invention was formed by a reset operation in which local conductive filaments were formed in the metal oxide thin film by a forming operation or a set operation. It has been found that the conductive filament has a resistance change effect with the same mechanism as the existing binary oxide, in which the conductive filament is broken. However, since the metal oxide thin film of the present invention is a thin film in which a plate-like single crystal of metal oxide represented by MO is arranged in a predetermined arrangement, it is a binary oxidation obtained by an existing physical vapor deposition method. Unlike products, it was confirmed that it can be reset with an extremely low reset current (1 <mA) and exhibits completely new characteristics.

図31は、実施例2による抵抗変化型素子のセット/リセット動作の繰り返し試験の結果を示す図である。   FIG. 31 is a diagram illustrating a result of a repetition test of a set / reset operation of a resistance variable element according to Example 2.

抵抗変化型素子2800にセット動作の2.8V/20nsの電圧と、リセット動作の−3.0V/20nsの電圧とを50回まで繰り返し印加した。リセット動作が生じない微小電圧(0.1V)を用いて、繰り返しの間の抵抗変化型素子2800の抵抗状態を読み出した。   A voltage of 2.8 V / 20 ns for the set operation and a voltage of −3.0 V / 20 ns for the reset operation were repeatedly applied to the resistance variable element 2800 up to 50 times. The resistance state of the resistance variable element 2800 during the repetition was read using a minute voltage (0.1 V) that does not cause a reset operation.

図31に示されるように、セット動作およびリセット動作を繰り返しても、高抵抗状態および低抵抗状態を安定して示すことが分かった。このことから、本発明の抵抗変化型素子は、動作の安定性に優れ、低電圧駆動の不揮発性のメモリとなり得ることが示された。   As shown in FIG. 31, it was found that the high resistance state and the low resistance state were stably shown even when the set operation and the reset operation were repeated. From this, it was shown that the resistance variable element of the present invention is excellent in operational stability and can be a low-voltage driven nonvolatile memory.

実施例3では、実施例1で得た単一のCoO板状単結晶体(出発原料に用いたCo(OH)板状単結晶体の横サイズは4μmであった)を用いた抵抗変化型素子を製造した。実施例3は、実施例1と同じPt基板を用い、図9のステップS940(表面圧の印加)を省略した以外は、実施例1と同様の手順であった。 In Example 3, resistance change using the single CoO plate-like single crystal obtained in Example 1 (the lateral size of the Co (OH) 2 plate-like single crystal used as the starting material was 4 μm) A mold element was manufactured. Example 3 was the same as Example 1 except that the same Pt substrate as in Example 1 was used and Step S940 (application of surface pressure) in FIG. 9 was omitted.

実施例3は、表面圧を印加することなくPt基板に転写された、界面にトラップされたCo(OH)板状単結晶体が、その板状結晶面がPt基板の平面と平行になるように位置するが、その平面方向に最密充填様に配列せず、ランダムかつ隙間を有して配列している点が、実施例1と異なる。このようにして得たPt基板上のCoO膜の表面を原子間力顕微鏡AFM(SIIナノテクノロジー、E−Sweep)により観察した。観察には、導電性Pt/IrでコートされたSiカンチレバーを用いた。観察結果を図32に示す。 In Example 3, the Co (OH) 2 plate-like single crystal trapped at the interface and transferred to the Pt substrate without applying surface pressure has a plate-like crystal plane parallel to the plane of the Pt substrate. However, it is different from the first embodiment in that it is not arranged in a close-packed manner in the plane direction, but is arranged with random and gaps. The surface of the CoO film on the Pt substrate thus obtained was observed with an atomic force microscope AFM (SII nanotechnology, E-Sweep). For observation, a Si cantilever coated with conductive Pt / Ir was used. The observation results are shown in FIG.

図32は、実施例3によるCoO膜/PtのAFM像を示す図である。   FIG. 32 is a diagram showing an AFM image of the CoO film / Pt according to Example 3.

図32によれば、CoO膜は、CoO板状単結晶体の最密充填様の配列ではなくCoO板状単結晶体間に隙間を有するランダムな配列からなっていることが分かった。このことから、表面圧の印加(図7のステップS740あるいは図9のステップS940)は、板状単結晶体を最密充填様に配列させるに好適であることが示された。   According to FIG. 32, it was found that the CoO film was not a close-packed arrangement of CoO plate single crystals, but a random arrangement having gaps between the CoO plate single crystals. From this, it was shown that the application of the surface pressure (step S740 in FIG. 7 or step S940 in FIG. 9) is suitable for arranging the plate-like single crystals in the closest packing manner.

次に、得られたCoO膜/Ptを適切に切断等することにより個々のCoO板状単結晶体を用いた抵抗変化型素子を製造した。切断後のPt基板上のCoO板状単結晶体をTEMで観察した。観察結果を図33に示す。   Next, the obtained CoO film / Pt was appropriately cut to manufacture resistance change elements using individual CoO plate-like single crystals. The CoO plate-like single crystal on the Pt substrate after cutting was observed with TEM. The observation results are shown in FIG.

図33は、実施例3によるCoO板状単結晶体/PtのTEM像(A)および電子回折パターン(B)を示す図である。   FIG. 33 is a diagram showing a TEM image (A) and an electron diffraction pattern (B) of CoO plate-like single crystal / Pt according to Example 3.

図33(A)によれば、図17(A)と同様に、CoO板状単結晶体が、六角形状を有することが分かった。図33(B)は、完璧な六角形に並ぶ回折スポットを示し、二次元の面内回折として(101 ̄)、(21 ̄1 ̄)および(11 ̄0)に指数付けでき、[111]方向に沿って得られた電子回折パターンであることが分かった。なお、記号「 ̄」は、直前の数字の上に付されていることを意味する。   According to FIG. 33 (A), it was found that the CoO plate-like single crystal had a hexagonal shape as in FIG. 17 (A). FIG. 33B shows perfect hexagonal diffraction spots, which can be indexed as (101 二), (21 ̄1 ̄) and (11 ̄0) as two-dimensional in-plane diffraction, [111] It was found to be an electron diffraction pattern obtained along the direction. In addition, the symbol “ ̄” means that it is added on the immediately preceding number.

単一のCoO板状単結晶体を用いた抵抗変化型素子の電気特性を測定した。測定には、AFMを用いた。抵抗変化型素子の構成を図34に示し、電気特性を図35に示す。   The electrical characteristics of the variable resistance element using a single CoO plate-like single crystal were measured. AFM was used for the measurement. The configuration of the resistance variable element is shown in FIG. 34, and the electrical characteristics are shown in FIG.

図34は、実施例3による抵抗変化型素子の模式図である。   FIG. 34 is a schematic diagram of a resistance variable element according to Example 3.

抵抗変化型素子3400は、第1の電極1110と、第1の電極1110上に置する抵抗体1120と、抵抗体1120上に位置する第2の電極1130とを含む。ここで、第1の電極1110は、接着Ti層を付与した熱酸化Si基板上にPtを蒸着することによって得た、上述のPt基板である。抵抗体1120は、図9の製造方法(ただしステップS940を除く)を用いてPt基板上に製造したCoO板状単結晶体である。抵抗体1120上に第2の電極1130として導電性のPt/IrコートされたSiカンチレバーを用いた。このような抵抗変化型素子3400を電源(図示せず)に接続した。   The resistance variable element 3400 includes a first electrode 1110, a resistor 1120 placed on the first electrode 1110, and a second electrode 1130 located on the resistor 1120. Here, the first electrode 1110 is the above-described Pt substrate obtained by vapor-depositing Pt on a thermally oxidized Si substrate provided with an adhesive Ti layer. The resistor 1120 is a CoO plate-like single crystal manufactured on a Pt substrate using the manufacturing method of FIG. 9 (except step S940). A conductive Pt / Ir-coated Si cantilever was used as the second electrode 1130 on the resistor 1120. Such a resistance variable element 3400 was connected to a power source (not shown).

図35は、実施例3による抵抗変化型素子のスイッチング特性(I−V)を示す図である。   FIG. 35 is a diagram illustrating the switching characteristics (IV) of the resistance variable element according to Example 3.

第1の電極1110と第2の電極1130との間に直流電圧掃引装置(図示せず)を接続し、電気特性(I−V)を測定した。抵抗変化型素子3400に0Vから5Vまで電圧を印加し(プロファイルa)、次いで、0Vから1.0Vまで電圧を印加し(プロファイルb)、0Vから−3Vまで電圧を印加し(プロファイルc)、−3Vから3Vまで電圧を印加した(プロファイルd)際の電流変化を調べた。   A DC voltage sweeping device (not shown) was connected between the first electrode 1110 and the second electrode 1130, and the electrical characteristics (IV) were measured. A voltage is applied from 0 V to 5 V to the resistance variable element 3400 (profile a), then a voltage is applied from 0 V to 1.0 V (profile b), and a voltage is applied from 0 V to -3 V (profile c). The change in current when voltage was applied from −3 V to 3 V (profile d) was examined.

図35において、CoO板状単結晶体は、初期状態(プロファイルaの低電圧側)において1012Ωの高抵抗を有することが分かった。CoO板状単結晶体がこのような高抵抗を有することから、モット型絶縁体の性質に良好に一致する。プロファイルaによれば、0Vから約3Vまで電圧を増大すると、抵抗変化型素子3400は、高抵抗状態から低抵抗状態に突然抵抗変化を示した。低抵抗状態において抵抗変化型素子3400は100nAを示し、この値がコンプライアンス電流となる。低抵抗状態におけるCoO膜の抵抗は、約1×10Ωであった。この挙動からプロファイルaがフォーミング動作であることを確認した。 In FIG. 35, the CoO plate-like single crystal was found to have a high resistance of 10 12 Ω in the initial state (low voltage side of profile a). Since the CoO plate-like single crystal has such a high resistance, it matches well with the properties of the Mott type insulator. According to profile a, when the voltage was increased from 0 V to about 3 V, the resistance variable element 3400 suddenly changed in resistance from the high resistance state to the low resistance state. In the low resistance state, the resistance variable element 3400 shows 100 nA, and this value is the compliance current. The resistance of the CoO film in the low resistance state was about 1 × 10 7 Ω. From this behavior, it was confirmed that profile a was a forming operation.

プロファイルbによれば、0Vから1.0Vまで電圧を増大しても、抵抗変化型素子3400は低抵抗状態を維持した。すなわち、フォーミング動作後、1.0V以下の電圧であれば、一定のコンプライアンス電流を達成するので、情報を不揮発性に保存できる。   According to the profile b, the resistance variable element 3400 maintained the low resistance state even when the voltage was increased from 0V to 1.0V. That is, if the voltage is 1.0 V or less after the forming operation, a constant compliance current is achieved, so that information can be stored in a nonvolatile manner.

プロファイルcによれば、0Vから−3.0Vまで電圧を増大すると、抵抗変化型素子3400は、印加電圧が−2.8Vにおいて低抵抗状態から高抵抗状態に再度抵抗変化を示した。この挙動からプロファイルcがリセット動作であることを確認した。ここでリセット電流は、100nAであり、1mA未満であった。このような低いリセット電流は、抵抗変化型素子の動作速度を向上させるだけでなく、抵抗変化型素子の発熱を抑制できるので有利である。   According to the profile c, when the voltage was increased from 0 V to −3.0 V, the resistance variable element 3400 again showed a resistance change from the low resistance state to the high resistance state when the applied voltage was −2.8 V. From this behavior, it was confirmed that profile c was a reset operation. Here, the reset current was 100 nA and less than 1 mA. Such a low reset current is advantageous because it not only improves the operation speed of the resistance variable element but also suppresses heat generation of the resistance variable element.

プロファイルdによれば、−3.0Vから約3.0Vまで電圧を増大すると、抵抗変化型素子3400は、高抵抗状態から低抵抗状態に再度抵抗変化を示した。この挙動からプロファイルdがセット動作であることを確認した。   According to the profile d, when the voltage was increased from −3.0 V to about 3.0 V, the resistance variable element 3400 again showed a resistance change from the high resistance state to the low resistance state. From this behavior, it was confirmed that the profile d was a set operation.

このように、実施例3によれば、単一のCoO板状単結晶体であっても、高抵抗状態(すなわち、情報「0」またはオフ)と低抵抗状態(情報「1」またはオン)との間の遷移を外部電界によって誘起することができることが確認された。以上より、本発明の単一のMO板状単結晶体は、抵抗変化型素子に適用でき、不揮発性メモリとして機能し得る。   Thus, according to Example 3, even in a single CoO plate-like single crystal, a high resistance state (that is, information “0” or off) and a low resistance state (information “1” or on) It was confirmed that the transition between and can be induced by an external electric field. As described above, the single MO plate single crystal of the present invention can be applied to a resistance variable element and can function as a nonvolatile memory.

実施例4では、MがCoであるCo(OH)板状単結晶体(横サイズは4μmであった)を出発原料として、図9および図10の製造方法を用いて、Coで表される金属酸化物からなる板状単結晶体からなる金属酸化物薄膜(以降では単にCo膜と呼ぶ)を製造した。 In Example 4, a Co (OH) 2 plate-like single crystal having M of Co (the lateral size was 4 μm) was used as a starting material, and the production method of FIGS. 9 and 10 was used to produce Co 3 O 4 A metal oxide thin film (hereinafter simply referred to as a Co 3 O 4 film) made of a plate-like single crystal made of a metal oxide represented by

実施例4は、実施例1における赤外線イメージ炉を用いた加熱条件(真空中、600℃、10分)を、マッフル炉を用いた大気中、800℃、2時間に変更した以外は同様であった。加熱後のCo(OH)膜/石英について、X線回折パターンを測定し、TEMにより観察した。結果を図36および図38に示す。また、加熱後のCo(OH)膜/石英について、SPring−8(BL15XU、hν=5.95eV@300K)にて硬X線光電子分光法を行った。結合エネルギーを金薄膜のフェルミ準位を用いて算出した。 Example 4 is the same as Example 1 except that the heating conditions (in vacuum, 600 ° C., 10 minutes) using the infrared image furnace in Example 1 are changed to 800 ° C. for 2 hours in the atmosphere using a muffle furnace. It was. The X-ray diffraction pattern of the Co (OH) 2 film / quartz after heating was measured and observed by TEM. The results are shown in FIGS. 36 and 38. The Co (OH) 2 film / quartz after heating was subjected to hard X-ray photoelectron spectroscopy at SPring-8 (BL15XU, hν = 5.95 eV @ 300K). The binding energy was calculated using the Fermi level of the gold thin film.

図36は、実施例4によるCo膜/石英のXRDパターンを示す図である。 FIG. 36 is a diagram showing an XRD pattern of Co 3 O 4 film / quartz according to Example 4.

図36(a)のXRDパターンは、加熱前のCo(OH)膜/石英のXRDパターンであり、図36(b)のXRDパターンは、加熱後のCo(OH)膜/石英のXRDパターンである。図36(a)のXRDパターンは、図23(a)のそれと同様に、(001)、(002)、(003)の回折ピークを示し、[001]配向したCo(OH)膜であることを確認した。 The XRD pattern of FIG. 36A is an XRD pattern of Co (OH) 2 film / quartz before heating, and the XRD pattern of FIG. 36B is an XRD pattern of Co (OH) 2 film / quartz after heating. It is a pattern. The XRD pattern shown in FIG. 36A is a (001) -oriented Co (OH) 2 film showing diffraction peaks of (001), (002), and (003), similar to that shown in FIG. 23 (a). It was confirmed.

図36(b)によれば、3つの回折ピークを示したが、これら3つの回折ピークは、スピネル型コバルト酸化物(Co、JCPDS74−2120)の(111)、(222)および(333)反射に指数付されることが分かった。このことから、加熱後のCo(OH)はCoであり、[111]完全配向したCo膜/石英が得られることが確認された。 According to FIG. 36 (b), three diffraction peaks are shown. These three diffraction peaks are (111), (222) and (222) of spinel-type cobalt oxide (Co 3 O 4 , JCPDS 74-2120). 333) It was found that the reflection is indexed. From this, it was confirmed that Co (OH) 2 after heating is Co 3 O 4 , and [111] perfectly oriented Co 3 O 4 film / quartz is obtained.

図37は、実施例4によるCo膜/石英のCo2p内殻光電子スペクトルを示す図である。 FIG. 37 is a diagram showing a Co 2 p inner-shell photoelectron spectrum of Co 3 O 4 film / quartz according to Example 4.

図37(a)および(b)は、それぞれ、実施例1によるCoO膜/石英および実施例4によるCo膜/石英の内殻光電子スペクトルである。図37(a)によれば、メインピークの結合エネルギーは780.1eVであり、Coが2価の状態であることを示した。一方、図37(b)によれば、メインピークは、図37(a)のそれと比べて、低エネルギー側にシフトし、778.6eVの結合エネルギーを有した。このことからも、Coの一部が3価の状態にあることを示し、上記加熱により、Co(OH)がCoに相転移したことが示された。 FIGS. 37A and 37B are the inner-shell photoelectron spectra of the CoO film / quartz according to Example 1 and the Co 3 O 4 film / quartz according to Example 4, respectively. According to FIG. 37A, the binding energy of the main peak is 780.1 eV, indicating that Co is in a divalent state. On the other hand, according to FIG. 37 (b), the main peak was shifted to a lower energy side as compared with that of FIG. 37 (a), and had a binding energy of 778.6 eV. This also indicates that a part of Co is in a trivalent state, and Co (OH) 2 was changed to Co 3 O 4 by the heating.

図38は、実施例4によるCo膜/SiのTEM像を示す図である。 FIG. 38 is a view showing a TEM image of Co 3 O 4 film / Si according to Example 4.

図38によれば、実施例4で得たCo膜もまた、六角形状を有するCo板状単結晶体からなることが分かった。図示しないが、SEMによる観察により、実施例4で得たCo膜もまた、六角形状を有するCo板状単結晶体が最密充填様に配列していることを確認した。しかしながら、Co板状単結晶体は、実施例1のCoO板状単結晶体と異なり、表面が荒れており、ポーラスであった。これは、図2および図5を参照して説明したように、Coは、一部Co2+からCo3+へ酸化する必要があり、Co(OH)からCoへの相転移には化学的および結晶学的な再構成が生じるためである。しかしながら、このような再構成が生じたにもかかわらず、本発明の加熱条件(図3および図5)を採用すれば、Co(OH)板状単結晶体の六角形状を維持したまま、Co板状単結晶体を得ることができることが示された。 According to FIG. 38, it was found that the Co 3 O 4 film obtained in Example 4 was also composed of a Co 3 O 4 plate-like single crystal having a hexagonal shape. Although not shown, it was confirmed by observation by SEM that the Co 3 O 4 film obtained in Example 4 also had a hexagonal shape of Co 3 O 4 plate-like single crystals arranged in a close-packed manner. . However, unlike the CoO plate-like single crystal of Example 1, the Co 3 O 4 plate-like single crystal was rough and porous. As described with reference to FIG. 2 and FIG. 5, Co 3 O 4 needs to be partially oxidized from Co 2+ to Co 3+ , and the phase from Co (OH) 2 to Co 3 O 4 This is because the transition involves chemical and crystallographic reconstruction. However, in spite of the occurrence of such reconstruction, if the heating conditions of the present invention (FIGS. 3 and 5) are employed, the hexagonal shape of the Co (OH) 2 plate-like single crystal is maintained, It has been shown that a Co 3 O 4 plate-like single crystal can be obtained.

実施例5では、MがCoおよびNiであるCo0.67Ni0.33(OH)で表される金属水酸化物からなる板状単結晶体(以降では単に(Co,Ni)(OH)板状単結晶体と呼ぶ)を出発原料として、図9および図10の製造方法を用いて、CoNiOで表される金属酸化物からなる板状単結晶体からなる金属酸化物薄膜(以降では単にCoNiO膜と呼ぶ)を製造した。 In Example 5, a plate-like single crystal composed of a metal hydroxide represented by Co 0.67 Ni 0.33 (OH) 2 in which M is Co and Ni (hereinafter simply referred to as (Co, Ni) (OH ) as 2 is referred to as a plate-like single crystal) the starting material, by using the manufacturing method of FIGS. 9 and 10, a metal oxide comprising a plate-like single crystal body consisting of a metal oxide represented by Co 2 NiO 4 A thin film (hereinafter simply referred to as a Co 2 NiO 4 film) was produced.

Co0.67Ni0.33(OH)で表される金属水酸化物((Co,Ni)(OH))の板状単結晶体は、CoCl・6HOに加えて、NiCl・6HOを加えた以外は、実施例1と同様の手順で製造された。このようにして得た(Co,Ni)(OH)板状単結晶体(横サイズは2μmであった)を出発原料として、実施例4と同様の手順でCoNiO膜をSi基板およびガラス基板上に製造した。 A plate-like single crystal of metal hydroxide ((Co, Ni) (OH) 2 ) represented by Co 0.67 Ni 0.33 (OH) 2 is added to CoCl 2 .6H 2 O in addition to NiCl 2. except plus 2 · 6H 2 O, it was prepared as in example 1. Using the (Co, Ni) (OH) 2 plate-like single crystal thus obtained (lateral size was 2 μm) as a starting material, a Co 2 NiO 4 film was formed on a Si substrate in the same procedure as in Example 4. And produced on a glass substrate.

界面にトラップされた(Co,Ni)(OH)板状単結晶体を基材としてSi基板に移した試料((Co,Ni)(OH)膜/Si)をSEMで観察し、X線回折パターンを測定した。結果を図39および図40に示す。 A sample ((Co, Ni) (OH) 2 film / Si) transferred to a Si substrate using a (Co, Ni) (OH) 2 plate-like single crystal trapped at the interface as a base material is observed by SEM, and X The line diffraction pattern was measured. The results are shown in FIGS. 39 and 40.

(Co,Ni)(OH)膜/Siを、マッフル炉を用い、大気中、800℃、2時間加熱した試料(CoNiO膜/Si)のX線回折パターンを測定した。結果を図40に示す。 An X-ray diffraction pattern of a sample (Co 2 NiO 4 film / Si) obtained by heating (Co, Ni) (OH) 2 film / Si in the atmosphere at 800 ° C. for 2 hours using a muffle furnace was measured. The results are shown in FIG.

図39は、実施例5による(Co,Ni)(OH)膜/Siの膜の表面のSEM像を示す図である。 FIG. 39 is a view showing an SEM image of the surface of the (Co, Ni) (OH) 2 film / Si film according to Example 5.

図39によれば、横サイズ2μmおよび厚さ30nmを有し、六角形状の(Co,Ni)(OH)板状単結晶体が、その平面がSi基板の表面と平行になるように位置していた。詳細には、(Co,Ni)(OH)板状単結晶体のエッジ同士が接触するように、すなわち、(Co,Ni)(OH)板状単結晶体は、その平面方向に最密充填様に配列していることが分かった。 According to FIG. 39, the hexagonal (Co, Ni) (OH) 2 plate-like single crystal having a lateral size of 2 μm and a thickness of 30 nm is positioned so that its plane is parallel to the surface of the Si substrate. Was. Specifically, the edges of the (Co, Ni) (OH) 2 plate-like single crystal are in contact with each other, that is, the (Co, Ni) (OH) 2 plate-like single crystal is most in the plane direction. It was found that they were arranged like a close packing.

図40は、実施例5による(Co,Ni)(OH)膜/Si(a)およびCoNiO膜/Si(b)の膜のXRDパターンを示す図である。 FIG. 40 is a diagram showing XRD patterns of the (Co, Ni) (OH) 2 film / Si (a) and Co 2 NiO 4 film / Si (b) films according to Example 5.

図40(a)によれば、すべての回折ピークが、ブルーサイトCo(OH)(JCPDS74−1057)に指数付けされる底面反射系列00l(l=1、2、3)に一致した。回折ピークの位置は、図23(b)(Co(OH)膜/Si)に示される回折ピークの位置からわずかにシフトしていた。これは、Co(OH)のCoサイトにNiが固溶したためである。図示しないが、(Co,Ni)(OH)膜から得られる格子定数が、Ni(OH)膜のXRDパターンから得られる格子定数と、図23(b)のXRDパターンから得られる格子定数とによるベガード則にしたがっていることを確認した。 According to FIG. 40 (a), all diffraction peaks coincided with the bottom reflection series 00l (l = 1, 2, 3) indexed to brucite Co (OH) 2 (JCPDS74-1057). The position of the diffraction peak was slightly shifted from the position of the diffraction peak shown in FIG. 23B (Co (OH) 2 film / Si). This is because Ni was dissolved in the Co site of Co (OH) 2 . Although not shown, the lattice constant obtained from the (Co, Ni) (OH) 2 film is the lattice constant obtained from the XRD pattern of the Ni (OH) 2 film and the lattice constant obtained from the XRD pattern of FIG. It was confirmed that Vegard's law was followed.

図40(b)によれば、3つの回折ピークを示したが、これら3つの回折ピークは、スピネル型コバルト酸化物(Co、JCPDS74−2120)の(111)、(222)および(333)反射に指数付されることが分かった。回折ピークの位置は、図36(b)(Co膜/石英)に示される回折ピークの位置からわずかにシフトしていた。これは、CoのCoサイトにNiが固溶したためである。図示しないが、加熱後の(Co,Ni)(OH)膜から得られる格子定数が、Ni膜のXRDパターンから得られる格子定数と、図36(b)のXRDパターンから得られる格子定数とによるベガード則にしたがっており、加熱後の(Co,Ni)(OH)膜がCoNiO膜であることを確認した。 According to FIG. 40 (b), three diffraction peaks are shown. These three diffraction peaks are (111), (222) and (222) of spinel-type cobalt oxide (Co 3 O 4 , JCPDS 74-2120). 333) It was found that the reflection is indexed. The position of the diffraction peak was slightly shifted from the position of the diffraction peak shown in FIG. 36B (Co 3 O 4 film / quartz). This is because Ni was dissolved in the Co site of Co 3 O 4 . Although not shown, the lattice constant obtained from the (Co, Ni) (OH) 2 film after heating is obtained from the lattice constant obtained from the XRD pattern of the Ni 3 O 4 film and the XRD pattern shown in FIG. It was confirmed that the (Co, Ni) (OH) 2 film after heating was a Co 2 NiO 4 film in accordance with Vegard's law based on the lattice constant.

以上、図39および図40によれば、Mが2種以上の固溶系であるM(OH)で表される金属水酸化物からなる板状単結晶体を出発原料として、図9および図10の製造方法を用い、所定の加熱条件を採用することによって、Mが2種以上の固溶系であるMで表される金属酸化物からなる板状単結晶体からなる金属酸化物薄膜を製造できることが確認された。 As described above, according to FIGS. 39 and 40, the plate-like single crystal composed of a metal hydroxide represented by M (OH) 2 in which M is a solid solution system of two or more types is used as a starting material. with 10 manufacturing method, by employing a predetermined heating condition, the metal oxide comprising M comprises a metal oxide represented by M 3 O 4 is more solid-solution plate-like single crystal It was confirmed that a thin film could be manufactured.

実施例6では、実施例1と同様にCo(OH)板状単結晶体(横サイズ2μm)を出発原料として、図7および図8の製造方法を用いて、Co膜を製造した。 In Example 6, a Co 3 O 4 film was produced using the production method of FIGS. 7 and 8 using a Co (OH) 2 plate-like single crystal (lateral size 2 μm) as a starting material, as in Example 1. did.

実施例1と同様の手順で製造したCo(OH)板状単結晶体を、マッフル炉を用い、大気中、800℃、2時間加熱した。加熱後の試料(Co板状単結晶体)のX線回折パターンを測定した。結果を図41に示す。 A Co (OH) 2 plate-like single crystal produced by the same procedure as in Example 1 was heated in the atmosphere at 800 ° C. for 2 hours using a muffle furnace. The X-ray diffraction pattern of the heated sample (Co 3 O 4 plate-like single crystal) was measured. The results are shown in FIG.

図41は、実施例6によるCo板状単結晶体のXRDパターンを示す図である。 FIG. 41 is a view showing an XRD pattern of the Co 3 O 4 plate-like single crystal according to Example 6.

図41によれば、すべての回折ピークは、スピネル型コバルト酸化物(Co、JCPDS74−2120)の(111)、(220)、(211)、(222)、(400)、(422)、(511)および(440)反射に指数付されることが分かった。図示しないが、加熱後のCo板状単結晶体のSEMによる観察により、横サイズ2μmおよび厚さ30nmを有し、六角形状である板状単結晶体を確認した。したがって、上記加熱によって、Co(OH)板状単結晶体は、トポタクティックにCo板状単結晶体に相変化することが示された。 According to FIG. 41, all diffraction peaks are represented by (111), (220), (211), (222), (400), (422) of spinel type cobalt oxide (Co 3 O 4 , JCPDS 74-2120). ), (511), and (440) reflections were found to be indexed. Although not shown, a plate-like single crystal having a lateral size of 2 μm and a thickness of 30 nm and having a hexagonal shape was confirmed by SEM observation of the Co 3 O 4 plate-like single crystal after heating. Therefore, it was shown that the Co (OH) 2 plate-like single crystal phase-changed into a Co 3 O 4 plate-like single crystal by the heating described above.

次に、このようにして得られたCo板状単結晶体を用いて、本発明の金属酸化物薄膜を基材(石英基板)上に製造した。石英基板を、HCl/CHOH溶液(1:1)、次いで、濃HSOにそれぞれ30分間浸漬させ、洗浄した。 Next, Using the thus obtained Co 3 O 4 platy single crystal body, a metal oxide thin film of the present invention was produced on the substrate (quartz substrate). The quartz substrate was immersed in a HCl / CH 3 OH solution (1: 1) and then concentrated H 2 SO 4 for 30 minutes and washed.

下水相として水(ミリQ水、80cm)が入ったラングミュアトラフに、単分散性を向上させたCo板状単結晶体(80mg)を分散させ、分散液を得た(図8(A))。 A Langmuir trough containing water (Milli-Q water, 80 cm 3 ) as a sewage phase was dispersed with a Co 3 O 4 plate-like single crystal (80 mg) with improved monodispersibility to obtain a dispersion (FIG. 8). (A)).

次いで、第1の溶媒としてヘキサン(8cm)を分散液に添加し、水とヘキサン(第1の溶媒)との界面を形成した(図7のステップS710および図9(B))。 Next, hexane (8 cm 3 ) was added as a first solvent to the dispersion to form an interface between water and hexane (first solvent) (step S710 in FIG. 7 and FIG. 9B).

シリンジポンプで操作させたハミルトンシリンジを用いて、第2の溶媒としてブタノール(1.5cm)を、0.1cm/分の速度で界面にゆっくり添加した(図7のステップS720および図9(C))。ブタノール添加前の分散液中のCo板状単結晶体は、界面に対して90°を下回る接触角を有していたが、ブタノール添加後、Co板状単結晶体は、表面エネルギーの変化により界面に対して90°の接触角を有した。これにより、下水相に分散していたCo板状単結晶体が、ただちに、水とヘキサンとの界面にトラップされ、連続する膜(トラップされたCo板状単結晶体またはCo膜)が形成されることを確認した。 Using a Hamilton syringe operated with a syringe pump, butanol (1.5 cm 3 ) as a second solvent was slowly added to the interface at a rate of 0.1 cm 3 / min (step S720 in FIG. 7 and FIG. 9 (FIG. 9)). C)). The Co 3 O 4 plate single crystal in the dispersion before the butanol addition had a contact angle of less than 90 ° with respect to the interface, but after the butanol addition, the Co 3 O 4 plate single crystal was The contact angle was 90 ° with respect to the interface due to changes in surface energy. As a result, the Co 3 O 4 plate-like single crystal dispersed in the sewage phase is immediately trapped at the interface between water and hexane, and a continuous film (the trapped Co 3 O 4 plate-like single crystal or It was confirmed that a (Co 3 O 4 film) was formed.

ヘキサン(第1の溶媒)を蒸発により除去した(図7のステップS730および図8(D))。続いて、トラップされたCo板状単結晶体(Co膜)に表面圧を印加した(図7のステップS740および図8(E))。Co膜の表面圧が、15mNm−1になるまで3mm/分で印加された。 Hexane (first solvent) was removed by evaporation (step S730 in FIG. 7 and FIG. 8D). Subsequently, a surface pressure was applied to the trapped Co 3 O 4 plate single crystal (Co 3 O 4 film) (step S740 in FIG. 7 and FIG. 8E). The surface pressure of the Co 3 O 4 film was applied at 3 mm / min until 15 mNm −1 was reached.

次いで、分散液に石英基板を浸漬させ、垂直引上法(引上速度3mm/分)により、トラップされたCo板状単結晶体(Co膜)を石英基板に移した(図7のステップS750および図8(E))。この際、表面圧は15mNm−1に維持した。このようにして石英基板上にトラップされたCo板状単結晶体(Co膜)(Co膜/石英)を得た。Co膜/石英をSEMで観察し、X線回折パターンを測定した。結果を図42および図43に示す。 Next, the quartz substrate was immersed in the dispersion, and the trapped Co 3 O 4 plate single crystal (Co 3 O 4 film) was transferred to the quartz substrate by the vertical pulling method (pulling speed 3 mm / min). (Step S750 in FIG. 7 and FIG. 8E). At this time, the surface pressure was maintained at 15 mNm- 1 . Thus, a Co 3 O 4 plate-like single crystal (Co 3 O 4 film) (Co 3 O 4 film / quartz) trapped on the quartz substrate was obtained. The Co 3 O 4 film / quartz was observed with an SEM, and an X-ray diffraction pattern was measured. The results are shown in FIGS. 42 and 43.

図42は、実施例6によるCo膜/石英の表面のSEM像を示す図である。 42 is a view showing an SEM image of the surface of the Co 3 O 4 film / quartz according to Example 6. FIG.

図42によれば、横サイズ2μmである六角形状のCo板状単結晶体が、その平面が石英基板の表面と平行になるように位置していた。また、一部配列の乱れが見られるものの、Co板状単結晶体のエッジ同士が接触するように、すなわち、Co板状単結晶体の平面方向に最密充填様に配列していることが分かった。 According to FIG. 42, the hexagonal Co 3 O 4 plate-like single crystal having a lateral size of 2 μm was positioned so that its plane was parallel to the surface of the quartz substrate. In addition, although some disorder of the arrangement is observed, the edges of the Co 3 O 4 plate single crystal are in contact with each other, that is, close packed in the planar direction of the Co 3 O 4 plate single crystal. I found out that it was arranged.

図43は、実施例6によるCo膜/石英のXRDパターンを示す図である。 FIG. 43 is a view showing an XRD pattern of a Co 3 O 4 film / quartz according to Example 6.

図43(a)のXRDパターンは、図41のXRDパターンと同一であり、図43(b)のXRDパターンは、Co膜/石英のXRDパターンである。図43(b)のXRDパターンは、図43(a)のXRDパターンと異なり、2つの回折ピークのみを示した。これら2つの回折ピークは、スピネル型コバルト酸化物(Co、JCPDS74−2120)の(111)および(222)反射に指数付され、[111]完全配向したCo膜/石英であることが分かった。 The XRD pattern of FIG. 43A is the same as the XRD pattern of FIG. 41, and the XRD pattern of FIG. 43B is a Co 3 O 4 film / quartz XRD pattern. The XRD pattern in FIG. 43 (b) is different from the XRD pattern in FIG. 43 (a) and shows only two diffraction peaks. These two diffraction peaks are indexed to the (111) and (222) reflections of spinel-type cobalt oxide (Co 3 O 4 , JCPDS 74-2120), and [111] fully oriented Co 3 O 4 film / quartz. I found out.

以上、図42および図43によれば、Mで表される金属水酸化物からなる板状単結晶体を出発原料として、図7および図8の製造方法を用いることによって、Mで表される金属酸化物からなる板状単結晶体からなる金属酸化物薄膜を製造できることが確認された。 As described above, according to FIGS. 42 and 43, the M 3 O made of a metal hydroxide represented by 4 platy single crystal as a starting material, by using the manufacturing method of FIGS. 7 and 8, M 3 It was confirmed that a metal oxide thin film made of a plate-like single crystal made of a metal oxide represented by O 4 can be produced.

本発明による板状単結晶体は、ビルディングブロック、超小型抵抗変化型素子、センサに適用される。本発明の金属酸化物薄膜は、抵抗変化型素子およびセンサに適用される。   The plate-like single crystal according to the present invention is applied to building blocks, ultra-small resistance variable elements, and sensors. The metal oxide thin film of the present invention is applied to a resistance variable element and a sensor.

100 金属酸化物からなる板状単結晶体
110、410 板状結晶面
400 金属水酸化物からなる板状単結晶体
600 金属酸化物薄膜
610 基材
800 水
810 第1の溶媒
820 界面
830 第2の溶媒
840 表面圧
1000 金属水酸化物膜
1100、1200、2800、3400 抵抗変化型素子
1110 第1の電極
1120、1210 抵抗体
1130 第2の電極
1140 電源
1310 導通パス
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Plate-like single crystal consisting of metal oxide 110, 410 Plate-like crystal plane 400 Plate-like single crystal consisting of metal hydroxide 600 Metal oxide thin film 610 Base material 800 Water 810 First solvent 820 Interface 830 Second Solvent 840 Surface pressure 1000 Metal hydroxide film 1100, 1200, 2800, 3400 Resistance variable element 1110 First electrode 1120, 1210 Resistor 1130 Second electrode 1140 Power supply 1310 Conduction path

特開2008−290913号公報JP 2008-290913 A 特開2010−229007号公報JP 2010-229007 A 特開平6−256959号公報JP-A-6-256959

Liuら, J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 13869Liu et al. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 13869 Liangら, Chem. Mater. 2010, 22, 371Liang et al., Chem. Mater. 2010, 22, 371 Shimaら, Appl. Phys. Lett. 2008, 93, 113504Shima et al., Appl. Phys. Lett. 2008, 93, 113504

Claims (6)

金属酸化物からなる板状単結晶体からなる金属酸化物薄膜であって、
前記金属酸化物は、MOまたはM(ここで、Mは、Co、Fe、Ni、ZnおよびCuからなる群から少なくとも1つ選択される金属元素である)で表され、
前記金属酸化物からなる板状単結晶体の形状は、六角形状であり、
前記金属酸化物からなる板状単結晶体のアスペクト比は、10〜500であり、
前記金属酸化物からなる板状単結晶体の平面方向の面は、前記金属酸化物の(111)結晶面であり、
前記板状単結晶体は、前記板状単結晶体の平面方向に最密充填様に配列し、
前記金属酸化物薄膜は、[111]に配向している、金属酸化物薄膜。
A metal oxide thin film made of a plate-like single crystal made of a metal oxide,
The metal oxide is represented by MO or M 3 O 4 (where M is a metal element selected from the group consisting of Co, Fe, Ni, Zn and Cu),
The shape of the plate-like single crystal made of the metal oxide is a hexagonal shape,
The aspect ratio of the plate-like single crystal made of the metal oxide is 10 to 500,
The plane surface of the plate-shaped single crystal made of the metal oxide is a (111) crystal plane of the metal oxide,
The plate-like single crystals are arranged in a close-packed manner in the planar direction of the plate-like single crystals,
The metal oxide thin film is a metal oxide thin film oriented in [111].
請求項1に記載の金属酸化物薄膜の製造方法であって、
金属酸化物からなる板状単結晶体を水に分散させた分散液に、ヘキサンまたはトルエンのいずれかである第1の溶媒を添加し、前記分散液中の水と前記第1の溶媒との界面を形成するステップと、
アルコール類である第2の溶媒をさらに添加し、前記界面に前記金属酸化物からなる板状単結晶体をトラップさせるステップと、
前記第1の溶媒を除去するステップと、
前記界面にトラップされた前記金属酸化物からなる板状単結晶体に表面圧を印加するステップと、
前記第1の溶媒が除去された前記分散液に基材を浸漬させ、前記トラップされた前記金属酸化物からなる板状単結晶体を前記基材に移すステップと
を包含し、
前記金属酸化物は、MOまたはM(ここで、Mは、Co、Fe、Ni、ZnおよびCuからなる群から少なくとも1つ選択される金属元素である)で表され、前記金属酸化物からなる板状単結晶体の形状は、六角形状であり、前記金属酸化物からなる板状単結晶体のアスペクト比は、10〜500であり、前記金属酸化物からなる板状単結晶体の平面方向の面は、前記金属酸化物の(111)結晶面である、方法。
It is a manufacturing method of the metal oxide thin film according to claim 1 ,
A first solvent that is either hexane or toluene is added to a dispersion in which a plate-like single crystal made of a metal oxide is dispersed in water, and the water in the dispersion and the first solvent Forming an interface;
Further adding a second solvent that is an alcohol, and trapping the plate-like single crystal made of the metal oxide at the interface;
Removing the first solvent;
Applying a surface pressure to the plate-like single crystal made of the metal oxide trapped at the interface;
Dipping a base material in the dispersion from which the first solvent has been removed, and transferring the trapped plate-like single crystal made of the metal oxide to the base material,
The metal oxide is represented by MO or M 3 O 4 (where M is a metal element selected from the group consisting of Co, Fe, Ni, Zn, and Cu), and the metal oxide The shape of the plate-like single crystal made of a product is hexagonal, and the aspect ratio of the plate-like single crystal made of the metal oxide is 10 to 500, and the plate-like single crystal made of the metal oxide The plane in the plane direction is a (111) crystal plane of the metal oxide.
前記界面を形成するステップに先立って、
M(OH)(ここで、Mは、Co、Fe、Ni、ZnおよびCuからなる群から選択される金属元素である)で表される金属水酸化物からなる板状単結晶体を加熱し、前記金属酸化物からなる板状単結晶体に相転移させるステップをさらに包含する、請求項2に記載の方法。
Prior to the step of forming the interface,
A plate-like single crystal made of a metal hydroxide represented by M (OH) 2 (where M is a metal element selected from the group consisting of Co, Fe, Ni, Zn and Cu) is heated. The method according to claim 2, further comprising a phase transition to a plate-like single crystal made of the metal oxide.
請求項1に記載の金属酸化物薄膜の製造方法であって、
M(OH)(ここで、Mは、Co、Fe、Ni、ZnおよびCuからなる群から少なくとも1つ選択される金属元素である)で表される金属水酸化物からなる板状単結晶体を水に分散させた分散液に、ヘキサンまたはトルエンのいずれかである第1の溶媒を添加し、前記分散液中の水と前記第1の溶媒との界面を形成するステップと、
アルコール類である第2の溶媒をさらに添加し、前記界面に前記金属水酸化物からなる板状単結晶体をトラップさせるステップと、
前記第1の溶媒を除去するステップと、
前記界面にトラップされた前記金属水酸化物からなる板状単結晶体に表面圧を印加するステップと、
前記第1の溶媒が除去された前記分散液に基材を浸漬させ、前記トラップされた前記金属水酸化物からなる板状単結晶体を前記基材に移すステップと、
前記基材に移された前記金属水酸化物からなる板状単結晶体を加熱するステップと
を包含する、方法。
It is a manufacturing method of the metal oxide thin film according to claim 1 ,
A plate-like single crystal made of a metal hydroxide represented by M (OH) 2 (where M is a metal element selected from the group consisting of Co, Fe, Ni, Zn and Cu) Adding a first solvent that is either hexane or toluene to a dispersion in which the body is dispersed in water to form an interface between the water in the dispersion and the first solvent;
Further adding a second solvent that is an alcohol, and trapping the plate-like single crystal made of the metal hydroxide at the interface;
Removing the first solvent;
Applying a surface pressure to the plate-like single crystal made of the metal hydroxide trapped at the interface;
Immersing a substrate in the dispersion from which the first solvent has been removed, and transferring the trapped plate-like single crystal made of the metal hydroxide to the substrate;
Heating the plate-like single crystal composed of the metal hydroxide transferred to the substrate.
第1の電極と、
前記第1の電極上に位置する抵抗体と、
前記抵抗体上に位置する第2の電極と
を含み、
前記抵抗体は、請求項1に記載の金属酸化物薄膜である、抵抗変化型素子。
A first electrode;
A resistor positioned on the first electrode;
A second electrode located on the resistor;
The resistance variable element according to claim 1 , wherein the resistor is the metal oxide thin film according to claim 1 .
前記抵抗変化型素子のリセット電流は、1mA未満である、請求項5に記載の抵抗変化型素子。
The resistance variable element according to claim 5, wherein a reset current of the resistance variable element is less than 1 mA.
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