【国际论文】用μ介子探测β-Ga₂O₃中稀氢的局部电子结构

        本次成果由茨城大学理工学研究科的平石雅俊研究员、东北大学金属材料研究所的冈部博孝特任助教、高能加速器研究机构（KEK）物质构造科学研究所μ介子科学研究系的幸田章宏准教授、门野良典特别教授、物质·材料研究机构（NIMS）功能性材料研究据点的大桥直树据点长、东工大国际先驱研究机构元素战略MDX研究中心的细野秀雄特命教授等人组成的研究小组进行了发表。详细内容在美国科学杂志《Physical Review B》上在线公开。

        为了更有效地利用电能，正在推进实用性能超过硅功率半导体的高性能功率半导体，而氧化镓正是新一代功率半导体的候选材料之一。在实际应用中无法精确控制电性能是一大难点，如载流子密度，这需要了解影响电性能的主要因素（杂质、氧和镓缺陷等），以及详细研究合成和器件制造方法之间的关系，研究还需要了解合成和器件制造方法之间的关系。

        其中氢是一种普遍存在于所有材料中的杂质，硅中的微量氢会影响电导率，现在正在研究氢在半导体和硅以外的太阳能电池材料等功能材料中的影响。对氧化镓的理论研究也表明，氢气可以促进n型传导。虽然考虑到可能对电气特性产生影响，但由于直接调查微量氢的方法有局限性，在实验方面的认知也很有限。

        因此，研究小组决定对氧化镓中保持稳定结构的β型氧化镓（β-Ga₂O₃）进行研究，目的是阐明作为杂质的氢的电子状态。具体来说，此次利用用于获得杂质氢实验的信息中少数手段之一的基本粒子μ（μ+、Mu）来进行实验。μ子质量为质子的1/9、电子的206倍，可以看作H的轻放射性同位素（平均寿命2.2微秒）的基本粒子，在与物质的相互作用（化学性质）的观点上，与氢大致相同，因此可作为伪氢使用。

        在材料中Mu的注入和停止状态可以通过μ子自旋旋转（μSR）方法进行高灵敏度的检测，该方法利用β衰变来观察样品中磁场的大小和波动，使得使用Mu作为隔离H的实验模拟器成为可能。具体来说，β-Ga₂O₃ µSR实验是在可利用高强度的μ子束的J-PARC的MLF进行的。结果发现，μ介子在β-Ga₂O₃中处于两种可转移状态，分别对应于供体和受体。

β-Ga₂O₃在室温下的µSR实验结果。结果发现，一个显示松弛的极化成分（Mu₁）和一个完全不显示松弛的成分（Mu₂）同时存在（来源：东京工业大学新闻稿）

        其显示出极化缓和成分的Mu1与理论计算中报告的供体氢相对应，而且实验表明这种氢可以实际存在。其次完全没有显示出缓和的Mu2处于受体状态，并且发现在与传导带交换电子时高速扩散。研究小组说明，μ子表现出的两种电子态，特别是受体Mu2态在以前的研究中被忽略了，因为它们与背景成分无法区分，只有通过使用J-PARC MLF的高强度μ介子束才能发现。

原文链接：https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.107.L041201