【研究分野】表面界面物性

【研究領域課題番号】13305004 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

4端子プローブ / 金属絶縁体転移 / パイエルス転移 / 表面電気伝導 / シリコン / 表面超構造 / 弱局在 / 擬1次元金属 / 2次元吸着原子ガス / 4探針 / 超高真空 / 光学顕微鏡 / RHEED

【研究成果の概要】

「マイクロ4端子プローブ測定装置」を設計・製作し、完成させた。この装置では、超高真空中で試料温度を室温から10Kまでの範囲で変化させて電気伝導度を測定できる。また、デンマーク工科大学で製作されたマイクロ4端子プローブ(プローブ間隔が4〜40μm)を光学顕微鏡で観察しながら、ピエゾスライドで試料表面に向けて接近・接触させて、ミクロな領域の電気伝導を測定する。また、RHEED(反射高速電子回折)によって試料表面の表面超構造をその場で確認・制御できる。この装置による測定で以下の発見があった。
(1)擬1次元金属系のSi(111)-4×1-In表面を冷却していくと、120K(付近で8×"2"構造の相転移するが、そのとき、電気抵抗が急激に上昇し、金属絶縁体転移を起こすことを見出した。これは、電荷密度波をともなうパイエルス転移説に矛盾しない結果となった。
(2)2次元金属系のSi(111)-√<3>×√<3-Ag>表面を冷却していくと、230K付近で急激に電気抵抗が上昇し、金属絶縁体転移を起こすことを見出した。光電子分光法によるバンド構造の研究も合わせ、低温相はバンド絶縁体ではないことを明らかにし、弱局在に起因する可能性がある。
(3)擬1次元金属系として知られていたSi(557)-Au表面の電気伝導度の温度依存性は、室温以下で熱活性型の半導体的な振る舞いを示した。これは、欠陥によって金属鎖が分断され、ホッピング伝導をしていることに起因すると考えられる。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2001 - 2003

【配分額】39,130千円 (直接経費: 30,100千円、間接経費: 9,030千円)

【研究分野】表面界面物性

【研究領域課題番号】12355003 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

擬1次元系 / 4探針プローブ / カーボンナノチューブ / 走査電子顕微鏡 / 表面電気伝導 / シリコン / 表面超構造 / 表面電子バンド / 走査トンネル顕微鏡 / 4探針 / 4端子プローブ

【研究成果の概要】

(1)超高真空槽内で、走査電子顕微鏡で観察しながら4探針を独立駆動できる4探針走査トンネル顕微鏡を製作・完成させた。トンネル電流をモニターしながら4探針を同時に自動接近させてトンネル接触状態にすることが可能となった。これにより、表面原子配列を破壊することなく探針を試料表面に接触させて電気伝導を測定することができる。また、単原子高さのステップを明瞭に走査トンネル顕微鏡像中で観察できるようになった。それを用いて、4端子プローブ法による表面電気伝導の測定を行った。
(2)ローブ間隔依存性:4探針プローブの間隔を1mmから1μmまで変化させながら、Si(111)-7×7清浄表面とSi(111)-√3×√3-Ag表面について室温で電気抵抗を測定した。その結果、(a)プローブ間隔を短くすると、表面に対する感度が飛躍的に向上する。(b)7×7表面の場合、電気伝導は結晶内部までが関与する3次元的な性格を持つのに対し、√3×√3-Ag表面では、表面近傍だけの2次元的な性格を持つ。これは表面状態を通る伝導であることが定量的な解析から判明した。
(3)正方4端子プローブ法:4探針を正方形状に配置して試料表面上に接触させて伝導度を測定する「正方4端子法」を考案し、実際にSi(111)-4x1-In表面に適応した。この方法は、従来の「線形4端子法」と異なり、伝導度の異方性を測定することができる。実験の結果、4x1-In表面は、インジウム原子鎖に平行方向の伝導度(σ_<//>)がそれに直角方向の伝導度(σ_⊥)より70倍高いことが明らかとなった。バンド構造から計算される伝導によると、σ_<//>は1次元的な表面電子バンドにより、σ_⊥は下地基板の表面空間電荷層による伝導でほぼ説明できることがわかった。つまり、この表面状態は電気伝導の観点からも極めて1次元性が強い擬1次元電子系といえる。
(4)多層カーボンナノチューブ(MWCNT)1本を2探針で拾い上げて固定することにより、その伝導度を2探針法によって測定可能となった。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2000 - 2002

【配分額】42,900千円 (直接経費: 40,200千円、間接経費: 2,700千円)